EP2284364A2 - Erosionsschutzvorrichtung für Dampfturbinenstufen - Google Patents

Erosionsschutzvorrichtung für Dampfturbinenstufen Download PDF

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Publication number
EP2284364A2
EP2284364A2 EP10172217A EP10172217A EP2284364A2 EP 2284364 A2 EP2284364 A2 EP 2284364A2 EP 10172217 A EP10172217 A EP 10172217A EP 10172217 A EP10172217 A EP 10172217A EP 2284364 A2 EP2284364 A2 EP 2284364A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
blade
shaft
flow path
inlet
flowpath
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10172217A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Richard Geist
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2284364A2 publication Critical patent/EP2284364A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/32—Collecting of condensation water; Drainage ; Removing solid particles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/186—Film cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/30—Application in turbines
    • F05D2220/31—Application in turbines in steam turbines

Definitions

  • the invention relates to steam turbines and in particular turbine blades of steam turbines.
  • Turbine blades of final stages of steam turbines reach very large diameters and thus large peripheral speeds, so that drops which impinge on a running turbine blade can lead to erosion of the turbine blade.
  • condensation turbine in which the steam, that is to say the operating medium of the steam turbine, is expanded to the saturated steam state or even into a wet steam region, condensation already partially occurs in the final stages.
  • condensing turbines are followed by a condenser which reduces the temperature of the steam and thus also the pressure.
  • the last stages of a condensation turbine work almost in vacuum.
  • the condensing vapor in the liquid can settle here as a water film on a guide vane.
  • This film is then moved from the vapor stream to the trailing edge of the vane, where it dissolves in the form of drops or streaks.
  • These water droplets can not be accelerated to the vapor velocity due to their high density. They hit with great force on the back of the blade and cause there strong erosion.
  • a steam turbine blade (hereinafter briefly referred to as turbine blade) is provided for mounting on a shaft of a steam turbine, the turbine blade including a blade root and a blade-side fluid flowpath having a blade-side flowpath inlet and a blade-side flowpath outlet.
  • blade-side here indicates that the fluid flow path is contained on or in the turbine blade.
  • the blade-side flowpath inlet (110) is arranged and configured to receive fluid from a shaft-side flowpath outlet of the shaft. Further, the blade-side flowpath outlet is located in a direction away from the blade root, away from the blade-side flowpath inlet, and in a forward edge region of the turbine blade.
  • the operating medium of the steam turbine is water vapor.
  • the operating medium may be another vapor.
  • the liquid which is supplied to the blade-side Strömungswegauslass the same as the liquid which forms the basis for the operating medium, for. B. water.
  • the liquid supplied to the blade-side flow path outlet may be any other liquid, for example a liquid which is different from the liquid which forms the basis for the operating medium.
  • the turbine blade thereby enables liquid to be dispensed through the blade-side fluid flow path in the leading edge region of the turbine blade, thereby reducing or avoiding negative effects of droplets in the vapor stream.
  • the blade-side flow path outlet is arranged and configured to generate a liquid film on a surface portion having a liquid discharged through the blade-side flow path outlet.
  • the liquid film on the surface portion of the turbine blade reduces the impact of drops on the surface portion and thereby reduces or avoids erosion of the surface portion.
  • the blade-side flow path inlet is formed in the blade root of the turbine blade. This has the advantage that the supply of liquid into the blade-side fluid flow path does not require any changes to the surface of the turbine blade. According to other embodiments, a supply of liquid in the blade-side remplisstechniksströmungsweg does not take place over the blade root, but for example, next to the blade root.
  • the blade-side fluid flow path has a main passage with the blade-side flowpath inlet and at least two sub-channels, wherein the at least two sub-channels are fluidly connected to the main passage and form the blade-side flowpath outlet.
  • each side channel forms a separate outlet opening of the flow path outlet, that is, the flow path outlet in this case has two or more outlet openings.
  • the outlet openings may be circular Have cross-section.
  • the outlet openings are each formed by a slot.
  • a turbine having a shaft and a plurality of turbine blades mounted with its blade root on the shaft.
  • the turbine blades are in this case formed according to the first aspect or an embodiment thereof.
  • the shaft includes the shaft-side flowpath having at least one shaft-side flowpath outlet, each shaft-side flowpath inlet having a wave-side flowpath outlet associated therewith.
  • a single shaft-side Strömungswegauslass may be provided which is associated with each blade-side inlet.
  • An embodiment of such a wave-side flow path outlet is, for example, an annular flow path outlet, for example in the form of an annular groove in the shaft.
  • the blade-side flowpath inlet is disposed opposite the associated shaft-side flowpath outlet.
  • the blade-side flowpath inlet and the associated shaft-side flowpath outlet may be spaced apart from each other at a distance.
  • the blade-side flowpath inlet is connected to the associated shaft-side flowpath outlet.
  • the wave-side flow path inlet is disposed on an end face of the shaft.
  • the shaft-side flow path inlet has an annular groove.
  • the shaft-side flow path inlet is formed by an annular groove. The annular groove can be arranged, for example, on the end face of the shaft, according to the embodiment given above.
  • the annular groove forming the wave-side flow path inlet defines an end opening in the shaft.
  • a groove base of the annular groove lying opposite the frontal opening extends radially outwardly beyond the frontal opening and thus forms an undercut.
  • a liquid in the annular groove is urged radially outwardly into the undercut of the annular groove by the rotation of the shaft and the resultant centrifugal force. A re-emergence of the liquid from the annular groove through the frontal opening can be effectively avoided or at least reduced in this way.
  • the wave-side flow path between the wave-side flowpath inlet and the wave-side flowpath outlet is defined by at least two channels, e.g. B. holes, formed in the shaft.
  • the provision of two or more channels has the advantage over a ring channel of a higher mechanical strength of the shaft.
  • an injector for injecting fluid into the shaft-side flowpath inlet.
  • injecting the liquid into the shaft-side flowpath inlet direct contact of stationary components of the turbine with the rotating shaft can be avoided.
  • Fig. 1 shows a steam turbine according to embodiments of the objects disclosed herein.
  • the steam turbine 100 includes a steam turbine blade 102 (hereafter referred to as a turbine blade) having a blade root 104.
  • the turbine blade is a blade such as the turbine blade 102.
  • the turbine 100 includes stator blades 103.
  • the turbine blade 102 has a blade-side fluid flow path 106 which extends away from the blade root 104 in a direction 108.
  • the scoop-side fluid flow path 106 has a scoop-side flowpath inlet 110 and a scoop-side flowpath outlet 112.
  • the blade-side flowpath outlet 112 is located in the direction 108 away from the blade root 104, a distance from the blade-side flowpath inlet 110.
  • the blade-side flow path outlet 112 is disposed in a front edge area of the turbine blade 114, as in FIG Fig. 1 shown.
  • the front edge area of the turbine blade is in Fig. 1 marked by a dashed line 116.
  • the front edge region 114 of the turbine blade is hardened.
  • the term "front” edge area refers here to the Arrangement of the turbine blade 102 in the turbine 100 with respect to a general vapor flow direction, the Fig. 1 labeled 118.
  • the steam turbine 100 further has a shaft 120, in which the blade 102, which is shown by way of example in sectional view, is mounted and which is rotatable about an axis of rotation 121.
  • the blade-side flowpath inlet 110 is disposed and configured to receive fluid from a shaft-side flowpath outlet 122 of the shaft 120.
  • the blade-side flowpath outlet 112 is configured to dispense liquid 124 and thereby reduce erosion of the turbine blade 102.
  • the blade-side flow path outlet is arranged and configured to produce a liquid film on the surface portion having the liquid discharged through the blade-side flow path outlet 112, which is in Fig. 1 is denoted by reference numeral 124.
  • the blade-side Strömungswegauslass be adapted for example with respect to its cross-section, its outlet direction, etc., in order to reduce or avoid erosion of the blade 102 with the liquid emerging from the blade-side Strömungswegauslass.
  • the liquid film on the blade surface dampens the force of the impact of the liquid droplets (water droplets).
  • the blade-side fluid flow path 106 has a main channel 126 and at least one secondary channel, for example four secondary channels 128.
  • the sub-channels 128 are fluidly connected to the main channel 126.
  • the main channel is through a radial bore which extends from the blade root in the turbine blade 102 is formed.
  • the secondary channels 128 may be formed by bores which are formed from the front edge region 114 into the main channel 126.
  • each sub-channel has a separate outlet port 130 and the outlet ports 130 together form the flow path outlet 112. This is described in more detail in FIG Fig. 2 shown.
  • the blade-side flowpath inlet 110 is formed in the blade root 104.
  • a wave-side flow path outlet is assigned to a single turbine blade.
  • a wave-side flow path outlet may be associated with two or more blade-side flow path inlets.
  • a single shaft-side flow path outlet may be associated with all turbine blades of a turbine stage, or their flow path inlets.
  • a turbine stage may be a turbine output stage 132, as in FIG Fig. 1 shown.
  • the wave-side flow path outlet 122 is formed by an annular groove, as in FIG Fig. 1 shown.
  • the blade-side flowpath inlet 110 and the shaft-side flowpath outlet 122 are disposed opposite to each other, so that liquid leaking from the shaft-side flowpath outlet 122 enters the blade-side flowpath inlet 110.
  • the shaft further has a shaft-side flow path 134.
  • the shaft-side flowpath 134 includes the shaft-side flowpath outlet 122 and a shaft-side flowpath inlet 136.
  • the shaft-side flowpath inlet 136 is on one end in accordance with one embodiment 138 of the shaft 120 is arranged.
  • the wave-side flow path inlet may be formed by an annular groove, as in FIG Fig. 1 shown.
  • the annular groove of the shaft-side flow path inlet 136 defines an end opening 140 in the shaft.
  • an end face 140 opposite the groove bottom 142 of the annular groove 136 extends in the radial direction 108 outwardly beyond the frontal opening 140 by a distance 144 addition.
  • the annular groove 136 forms in this way an undercut 146, as shown in more detail in FIG Fig. 3 shown.
  • a liquid is forced into the annular groove 136 in the direction of the undercut 146.
  • the shaft-side flow path 134 extends away.
  • the shaft-side flow path 134 is formed by at least one bore, for example by two or more bores, which are evenly distributed in the circumferential direction of the groove bottom 142 according to another embodiment.
  • the steam turbine 100 further has an injection device 148, which is arranged stationary with respect to a turbine housing 150. This facilitates the delivery of liquid to the injector 148.
  • the injector 148 is further configured to inject liquid 124 into the wave-side flowpath inlet, for example into the annular groove 136.
  • seals are provided and bearings that seal or support a housing-side flow path 151 against the shaft-side flow path inlet 136 are not required. In this way, a liquid entry into the shaft-side flow path inlet 136 can be made wear-free.
  • Fig. 4 shows by way of example a cross-sectional view through three guide vanes 103 and two rotor blades 102 of the output stage 132.
  • the vanes 103 direct a steam flow 154 against the turbine output stage 132 with the blades 102.
  • the steam flow 154 thus drives the output stage 132 with the blades 102 in a rotational movement that in Fig. 4 labeled 156.
  • Each blade 102 has a front edge region 114 facing the vapor flow 154, a blade front side 158 and a blade rear side 160.
  • the steam flow 154 impinges on the blade front side 158 and thus drives the output stage 132.
  • Drops of liquid that come off the vane 103, for example, are not accelerated to vapor flow rate due to their relatively large mass from the vapor stream. Such drops of liquid therefore hit on the blade back 160, which may be subject to erosion.
  • Such erosion in one embodiment, is reduced or eliminated by a liquid film 162, wherein the liquid film 162 is formed by liquid exiting from the blade-side flow path outlet 112.
  • a turbine and a turbine blade for a turbine are disclosed, wherein the turbine blade includes a blade-side fluid flow path having a blade-side flowpath inlet and a blade-side flowpath outlet, wherein fluid can be supplied to the blade-side flowpath inlet from a shaft, which then exits through the blade-side flowpath outlet, thereby reducing or avoiding erosion of the turbine blade.
  • the liquid On the shaft side, the liquid is guided into a corresponding liquid channel, in which the liquid is injected, for example, into a shaft-side flow path inlet arranged on an end face of the shaft.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Eine Turbine und eine Dampfturbinenschaufel (102) für eine Turbine werden offenbart, wobei die Dampfturbinenschaufel (102) einen schaufelseitigen Flüssigkeitsströmungsweg (106) mit einem schaufelseitigen Strömungswegeinlass (110) und einem schaufelseitigen Strömungswegauslass (112) aufweist, wobei dem schaufelseitigen Strömungswegeinlass (110) von einer Welle (120) her Flüssigkeit zuführbar ist, die dann durch den schaufelseitigen Strömungswegauslass (112) austritt, um auf diese Weise eine Erosion der Dampfturbinenschaufel (102) zu vermindern oder zu vermeiden. Wellenseitig wird die Flüssigkeit in einen entsprechenden Flüssigkeitskanal geführt, in welchen die Flüssigkeit beispielsweise in einen auf einer Stirnseite der Welle (120) angeordneten, wellenseitigen Strömungswegeinlass eingespritzt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft Dampfturbinen und insbesondere Turbinenschaufeln von Dampfturbinen.
    • Hintergrund der Erfindung
  • Turbinenschaufeln von Endstufen von Dampfturbinen erreichen sehr große Durchmesser und damit große Umfangsgeschwindigkeiten, so dass Tropfen, die auf eine laufende Turbinenschaufel auftreffen, zu Erosion der Turbinenschaufel führen können. Insbesondere bei einer Kondensationsturbine, bei welcher der Dampf, das heißt das Betriebsmedium der Dampfturbine, bis zum Sattdampfzustand oder sogar bis in ein Nassdampfgebiet hinein entspannt wird, tritt bereits in den Endstufen teilweise Kondensation auf. Ferner wird Kondensationsturbinen ein Kondensator nachgeschaltet, der die Temperatur des Dampfes und somit auch den Druck reduziert. Somit arbeiten die letzten Stufen einer Kondensationsturbine fast im Vakuum. Die im Dampf kondensierende Flüssigkeit kann sich hierbei als Wasserfilm auf einer Leitschaufel absetzen. Dieser Film wird dann von der Dampfströmung zur Leitschaufelhinterkante hin bewegt und löst sich dort in Form von Tropfen oder Schlieren ab. Diese sich ablösenden Wassertropfen können vom Dampfstrom wegen ihrer großen Dichte nicht auf die Dampfgeschwindigkeit beschleunigt werden. Sie schlagen deshalb mit großer Wucht auf dem Rücken der Laufschaufel auf und verursachen dort starke Erosion. Zur Vermeidung von Erosion ist es bekannt, den vorderen Bereich der Laufschaufeln, das heißt den der Dampfströmung zugewandten Bereich der Laufschaufeln zu härten.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Erosion an Laufschaufeln von Dampfturbinen zu reduzieren oder zu verhindern.
  • Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Gemäß einem Aspekt der hierin offenbarten Gegenstände wird eine Dampfturbinenschaufel (nachfolgend kurz mit Turbinenschaufel bezeichnet) zur Montage auf einer Welle einer Dampfturbine bereitgestellt, wobei die Turbinenschaufel einen Schaufelfuß und einen schaufelseitigen Flüssigkeitsströmungsweg mit einem schaufelseitigen Strömungswegeinlass und einem schaufelseitigen Strömungswegauslass enthält. Der Begriff "schaufelseitig" weist hier darauf hin, dass der Flüssigkeitsströmungsweg an oder in der Turbinenschaufel enthalten ist. Gemäß dem ersten Aspekt der hierin offenbarten Gegenstände ist der schaufelseitige Strömungswegeinlass (110) angeordnet und ausgebildet zum Aufnehmen von Flüssigkeit von einem wellenseitigen Strömungswegauslass der Welle. Ferner ist der schaufelseitige Strömungswegauslass in einer Richtung von dem Schaufelfuß weg mit Abstand von dem schaufelseitigen Strömungswegeinlass und in einem vorderen Randbereich der Turbinenschaufel angeordnet.
  • Gemäß einer Ausführungsform des ersten Aspektes ist das Betriebsmedium der Dampfturbine Wasserdampf. Gemäß anderer Ausführungsformen kann das Betriebsmedium jedoch auch ein anderer Dampf sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Flüssigkeit, welche dem schaufelseitigen Strömungswegauslass zugeführt wird, die selbe wie die Flüssigkeit, die die Basis für das Betriebsmedium bildet, z. B. Wasser. Gemäß anderer Ausführungsform kann die Flüssigkeit, welche dem schaufelseitigen Strömungswegauslass zugeführt wird, eine beliebige andere Flüssigkeit sein, beispielsweise eine Flüssigkeit, welche von der Flüssigkeit, die die Basis für das Betriebsmedium bildet, verschieden ist.
  • Die Turbinenschaufel ermöglicht es dadurch, über den schaufelseitigen Flüssigkeitsströmungsweg Flüssigkeit in dem vorderen Randbereich der Turbinenschaufel abzugeben und dadurch negative Wirkungen von Tropfen in dem Dampfstrom zu reduzieren oder zu vermeiden.
  • Gemäß einer Ausführungsform des ersten Aspektes ist der schaufelseitige Strömungswegauslass angeordnet und ausgebildet zum Erzeugen eines Flüssigkeitsfilms auf einem Oberflächenabschnitt mit einer durch den schaufelseitigen Strömungswegauslass abgegebenen Flüssigkeit. Der Flüssigkeitsfilm auf dem Oberflächenabschnitt der Turbinenschaufel mindert den Aufprall von Tropfen auf den Oberflächenabschnitt und vermindert oder vermeidet dadurch eine Erosion des Oberflächenabschnitts.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der schaufelseitige Strömungswegeinlass in den Schaufelfuß der Turbinenschaufel gebildet. Dies hat den Vorteil, dass die Zuführung von Flüssigkeit in den schaufelseitigen Flüssigkeitsströmungsweg keine Veränderungen an der Oberfläche der Turbinenschaufel erfordert. Gemäß anderer Ausführungsformen erfolgt eine Zuführung von Flüssigkeit in den schaufelseitigen Flüssigkeitsströmungsweg nicht über den Schaufelfuß, sondern beispielsweise neben dem Schaufelfuß.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des ersten Aspektes weist der schaufelseitige Flüssigkeitsströmungsweg einen Hauptkanal mit dem schaufelseitigen Strömungswegeinlass und mindestens zwei Nebenkanäle auf, wobei die mindestens zwei Nebenkanäle mit dem Hauptkanal strömungsmäßig verbunden sind und den schaufelseitigen Strömungswegauslass bilden. Zum Beispiel ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass jeder Nebenkanal eine separate Auslassöffnung des Strömungswegauslasses bildet, das heißt der Strömungswegauslass weist in diesem Fall zwei oder mehr Auslassöffnungen auf. Gemäß einer Ausführungsform können die Auslassöffnungen einen kreisförmigen Querschnitt haben. Gemäß anderer Ausführungsform sind die Auslassöffnungen jeweils durch einen Schlitz gebildet.
  • Diese Ausführungsformen erlauben eine kostengünstige und effiziente Realisierung des Strömungswegeinlasses und des Strömungswegauslasses, wobei durch die mindestens zwei Nebenkanäle die Charakteristik des Strömungswegauslasses einfach an die Anforderungen der jeweiligen Turbine anpassbar ist.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der hierin offenbarten Gegenstände wird eine Turbine bereitgestellt, welche eine Welle und eine Vielzahl von Turbinenschaufeln aufweist, die mit ihrem Schaufelfuß an der Welle montiert sind. Die Turbinenschaufeln sind hierbei gemäß dem ersten Aspekt oder einer Ausführungsform davon ausgebildet.
  • Die Welle weist den wellenseitigen Strömungsweg mit mindestens einem wellenseitigen Strömungswegauslass auf, wobei jedem schaufelseitigen Strömungswegeinlass ein wellenseitiger Strömungswegauslass zugeordnet ist. Beispielsweise kann ein einziger wellenseitiger Strömungswegauslass vorgesehen sein, welcher jedem schaufelseitigen Einlass zugeordnet ist. Eine Ausführungsform eines solchen wellenseitigen Strömungswegauslasses ist beispielsweise ein ringförmiger Strömungswegauslass, zum Beispiel in Form einer Ringnut in der Welle. Der schaufelseitige Strömungswegeinlass ist dem zugeordneten wellenseitigen Strömungswegauslass gegenüberliegend angeordnet. Zum Beispiel können der schaufelseitige Strömungswegeinlass und der zugeordnete wellenseitige Strömungswegauslass mit Abstand einander gegenüberliegend angeordnet sein. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist der schaufelseitige Strömungswegeinlass mit dem zugeordneten wellenseitigen Strömungswegauslass verbunden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des zweiten Aspektes ist der wellenseitige Strömungswegeinlass auf einer Stirnseite der Welle angeordnet. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der wellenseitige Strömungswegeinlass eine Ringnut auf. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der wellenseitige Strömungswegeinlass durch eine Ringnut gebildet. Die Ringnut kann beispielsweise auf der Stirnseite der Welle angeordnet sein, gemäß der oben angegebenen Ausführungsform.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform definiert die Ringnut, welche den wellenseitigen Strömungswegeinlass bildet, eine stirnseitige Öffnung in der Welle. Hierbei kann gemäß einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass ein der stirnseitigen Öffnung gegenüberliegender Nutgrund der Ringnut sich in radialer Richtung nach außen hin über die stirnseitige Öffnung hinaus erstreckt und so eine Hinterschneidung bildet. Bei dieser Ausführungsform wird eine Flüssigkeit in der Ringnut durch die Rotation der Welle und die hiermit sich ergebende Zentrifugalkraft radial nach außen in die Hinterschneidung der Ringnut gedrängt. Ein Wiederaustreten der Flüssigkeit aus der Ringnut durch die stirnseitige Öffnung kann auf diese Weise wirksam vermieden oder zumindest reduziert werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des zweiten Aspektes ist der wellenseitige Strömungsweg zwischen dem wellenseitigen Strömungswegeinlass und dem wellenseitigen Strömungswegauslass durch mindestens zwei Kanäle, z. B. Bohrungen, in der Welle gebildet. Das Vorsehen von zwei oder mehr Kanälen hat gegenüber einem Ringkanal den Vorteil einer höheren mechanischen Festigkeit der Welle.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des zweiten Aspektes ist eine Einspritzvorrichtung vorgesehen zum Einspritzen von Flüssigkeit in den wellenseitigen Strömungswegeinlass. Durch Einspritzen der Flüssigkeit in den wellenseitigen Strömungswegeinlass kann ein direkter Kontakt von ruhenden Komponenten der Turbine mit der rotierenden Welle vermieden werden. Insbesondere kann beispielsweise auf Dichtungen zwischen dem wellenseitigen Strömungswegeinlass und einem externen, ruhenden Strömungsweg verzichtet werden.
  • Im Folgenden werden exemplarische Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände beschrieben, wobei beispielsweise auf eine Turbinenschaufel und eine Dampfturbine enthaltend eine solche Turbinenschaufel Bezug genommen wird. Es sollte jedoch hervorgehoben werden, dass natürlich jede Kombination von Merkmalen verschiedener Aspekte, Ausführungsformen und Beispiele möglich ist. Insbesondere werden einige Ausführungsformen mit Bezug auf die Turbinenschaufel beschrieben, während andere Ausführungsformen mit Bezug auf die Dampfturbine beschrieben werden. Der Fachmann wird jedoch der vorstehenden und der nachfolgenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen entnehmen, dass, so lange es nicht anders angegeben ist, Merkmale verschiedener Aspekte, Ausführungsformen und Beispiele kombinierbar sind.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung von Ausführungsformen, auf welche die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist. Die einzelnen Figuren der Zeichnungen dieser Anmeldung sind lediglich als schematisch und nicht als maßstabsgetreu anzusehen.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
    • Fig. 1 zeigt in Teilschnittansicht einen Teil einer Dampfturbine gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
    • Fig. 2 zeigt eine Detailansicht einer Laufschaufel der Dampfturbine aus Fig. 1.
    • Fig. 3 zeigt eine Detailansicht einer Welle der Dampfturbine aus Fig. 1.
    • Fig. 4 zeigt eine Querschnittsansicht einer Laufschaufel und einer Leitschaufel der Dampfturbine aus Fig. 1 entlang der Linie IV-IV.
    Detaillierte Beschreibung
  • Es wird angemerkt, dass in verschiedenen Figuren ähnliche oder identische Elemente oder Komponenten mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Solche Merkmale bzw. Komponenten, die mit den entsprechenden Merkmalen bzw. Komponenten in einer anderen Figur gleich oder zumindest funktionsgleich sind, werden nur bei ihrem ersten Auftreten in dem nachfolgenden Text detailliert beschrieben und die Beschreibung wird bei dem nachfolgenden Auftreten dieser Merkmale und Komponenten (bzw. der entsprechenden Bezugszahlen) nicht wiederholt.
  • Fig. 1 zeigt eine Dampfturbine gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände. Die Dampfturbine 100 umfasst eine Dampfturbinenschaufel 102 (nachfolgend kurz mit Turbinenschaufel bezeichnet) mit einem Schaufelfuß 104. Gemäß einer Ausführungsform ist die Turbinenschaufel eine Laufschaufel, wie die Turbinenschaufel 102. Ferner weist die Turbine 100 Leitschaufeln 103 auf. Die Turbinenschaufel 102 weist einen schaufelseitigen Flüssigkeitsströmungsweg 106 auf, welcher sich in einer Richtung 108 von dem Schaufelfuß 104 weg erstreckt.
  • Der schaufelseitige Flüssigkeitsströmungsweg 106 weist einen schaufelseitigen Strömungswegeinlass 110 und einen schaufelseitigen Strömungswegauslass 112 auf. Der schaufelseitige Strömungswegauslass 112 ist in der Richtung 108 von dem Schaufelfuß 104 weg mit Abstand von dem schaufelseitigen Strömungswegeinlass 110 angeordnet. Gemäß einer Ausführungsform ist der schaufelseitige Strömungswegauslass 112 in einem vorderen Randbereich der Turbinenschaufel 114 angeordnet, wie in Fig. 1 dargestellt. Der vordere Randbereich der Turbinenschaufel ist in Fig. 1 durch eine gestrichelte Linie 116 markiert.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der vordere Randbereich 114 der Turbinenschaufel gehärtet ist. Der Begriff "vorderer" Randbereich bezieht sich hier auf die Anordnung der Turbinenschaufel 102 in der Turbine 100 bezüglich einer allgemeinen Dampfstromrichtung, die in Fig. 1 mit 118 gekennzeichnet ist.
  • Die Dampfturbine 100 weist ferner eine Welle 120 auf, in welcher die exemplarisch in Schnittdarstellung dargestellte Schaufel 102 montiert ist und welche um eine Drehachse 121 rotierbar ist. Der schaufelseitige Strömungswegeinlass 110 ist angeordnet und ausgebildet zum Aufnehmen von Flüssigkeit von einem wellenseitigen Strömungswegauslass 122 der Welle 120.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist der schaufelseitige Strömungswegauslass 112 ausgebildet zum Abgeben von Flüssigkeit 124 und dadurch Reduzieren einer Erosion der Turbinenschaufel 102.
  • Beispielsweise kann gemäß einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass der schaufelseitige Strömungswegauslass angeordnet und ausgebildet ist zum Erzeugen eines Flüssigkeitsfilms auf dem Oberflächenabschnitt mit der durch den schaufelseitigen Strömungswegauslass 112 abgegebenen Flüssigkeit, welche in Fig. 1 durch die Bezugszahl 124 gekennzeichnet ist. Hierzu kann der schaufelseitige Strömungswegauslass zum Beispiel bezüglich seines Querschnittes, seiner Austrittsrichtung, etc. angepasst sein, um mit der aus dem schaufelseitigen Strömungswegauslass austretenden Flüssigkeit eine Erosion der Schaufel 102 zu vermindern oder zu vermeiden. Der Flüssigkeitsfilm auf der Schaufeloberfläche dämpft dabei die Wucht des Aufpralls der Flüssigkeitstropfen (Wassertropfen).
  • Gemäß einer Ausführungsform weist der schaufelseitige Flüssigkeitsströmungsweg 106 einen Hauptkanal 126 auf und mindestens einen Nebenkanal, beispielsweise vier Nebenkanäle 128 auf. Die Nebenkanäle 128 sind mit dem Hauptkanal 126 strömungsgemäß verbunden. Beispielsweise kann gemäß einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass der Hauptkanal durch eine radiale Bohrung ist, welche von dem Schaufelfuß her in der Turbinenschaufel 102 gebildet ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Nebenkanäle 128 durch Bohrungen gebildet sein, die von dem vorderen Randbereich 114 bis in den Hauptkanal 126 hinein gebildet sind.
  • Entsprechend einer Ausführungsform der hierin offenbarten Gegenstände bilden die vier in Fig. 1 dargestellten Nebenkanäle 128 den Strömungswegauslass 112. Gemäß einer Ausführungsform weist jeder Nebenkanal eine separate Auslassöffnung 130 auf und die Auslassöffnungen 130 bilden zusammen den Strömungswegauslass 112. Dies ist detaillierter in Fig. 2 dargestellt.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist der schaufelseitige Strömungswegeinlass 110 in dem Schaufelfuß 104 gebildet.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass ein wellenseitiger Strömungswegauslass einer einzigen Turbinenschaufel zugeordnet ist. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann ein wellenseitiger Strömungswegauslass zwei oder mehr schaufelseitigen Strömungswegeinlässen zugeordnet sein. Beispielsweise kann ein einziger wellenseitiger Strömungswegauslass allen Turbinenschaufeln einer Turbinenstufe, bzw. deren Strömungswegeinlässen, zugeordnet sein. Eine Turbinenstufe kann beispielsweise eine Turbinenendstufe 132 sein, wie in Fig. 1 dargestellt. Gemäß einer Ausführungsform ist der wellenseitige Strömungswegauslass 122 durch eine Ringnut gebildet, wie in Fig. 1 dargestellt. Der schaufelseitige Strömungswegeinlass 110 und der wellenseitige Strömungswegauslass 122 sind einander gegenüberliegend angeordnet, so dass aus dem wellenseitigen Strömungswegauslass 122 austretende Flüssigkeit in den schaufelseitigen Strömungswegeinlass 110 eintritt.
  • Die Welle weist ferner einen wellenseitigen Strömungsweg 134 auf. Der wellenseitige Strömungsweg 134 weist den wellenseitigen Strömungswegauslass 122 und einen wellenseitigen Strömungswegeinlass 136 auf. Der wellenseitige Strömungswegeinlass 136 ist gemäß einer Ausführungsform auf einer Stirnseite 138 der Welle 120 angeordnet. Der wellenseitige Strömungswegeinlass kann durch eine Ringnut gebildet sein, wie in Fig. 1 dargestellt. Ferner kann gemäß einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Ringnut des wellenseitigen Strömungswegeinlasses 136 eine stirnseitige Öffnung 140 in der Welle definiert. Gemäß einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich ein der stirnseitigen Öffnung 140 gegenüberliegender Nutgrund 142 der Ringnut 136 in radialer Richtung 108 nach außen hin über die stirnseitige Öffnung 140 um einen Abstand 144 hinaus. Die Ringnut 136 bildet auf diese Weise eine Hinterschneidung 146, wie detaillierter in Fig. 3 dargestellt. Durch die Fliehkräfte wird bei einer Rotation der Welle 120 eine Flüssigkeit in der Ringnut 136 in Richtung in die Hinterschneidung 146 hineingedrängt.
  • Von dem Nutgrund 142 der Ringnut 136 erstreckt sich der wellenseitige Strömungsweg 134 weg. Gemäß einer Ausführungsform ist der wellenseitige Strömungsweg 134 durch mindestens eine Bohrung, beispielsweise durch zwei oder mehr Bohrungen gebildet, die gemäß einer weiteren Ausführungsform in Umfangsrichtung des Nutgrundes 142 gleichmäßig verteilt sind.
  • Die Dampfturbine 100 weist ferner eine Einspritzvorrichtung 148 auf, welche bezüglich eines Turbinengehäuses 150 ortsfest angeordnet ist. Dies erleichtert die Zuführung von Flüssigkeit zu der Einspritzvorrichtung 148. Die Einspritzvorrichtung 148 ist ferner konfiguriert zum Einspritzen von Flüssigkeit 124 in den wellenseitigen Strömungswegeinlass, beispielsweise in die Ringnut 136. Dadurch, dass die Flüssigkeit durch Einspritzen in den wellenseitigen Strömungswegeinlass 136 eingebracht wird, sind Dichtungen und Lager, welche einen gehäuseseitigen Strömungsweg 151 gegen den wellenseitigen Strömungswegeinlass 136 abdichten oder abstützen, nicht erforderlich. Auf diese Weise kann ein Flüssigkeitseintrag in den wellenseitigen Strömungswegeinlass 136 verschleißfrei erfolgen.
  • Fig. 4 zeigt exemplarisch eine Querschnittsansicht durch drei Leitschaufeln 103 und zwei Laufschaufeln 102 der Endstufe 132.
  • Die Leitschaufeln 103 richten einen Dampfstrom 154 gegen die Turbinenendstufe 132 mit den Laufschaufeln 102. Der Dampfstrom 154 treibt somit die Endstufe 132 mit den Laufschaufeln 102 in eine Drehbewegung an, die in Fig. 4 mit 156 gekennzeichnet ist. Jede Laufschaufel 102 weist einen dem Dampfstrom 154 zugewandten vorderen Randbereich 114, eine Schaufelvorderseite 158 und eine Schaufelrückseite 160 auf. Der Dampfstrom 154 trifft auf die Schaufelvorderseite 158 und treibt so die Endstufe 132 an. Flüssigkeitstropfen, die sich zum Beispiel von der Leitschaufel 103 ablösen, werden aufgrund ihrer relativ großen Masse von dem Dampfstrom nicht auf die Dampfstromgeschwindigkeit beschleunigt. Solche Flüssigkeitstropfen schlagen deshalb auf der Schaufelrückseite 160 auf, die dadurch einer Erosion unterliegen kann. Eine solche Erosion wird gemäß einer Ausführungsform durch einen Flüssigkeitsfilm 162 vermindert oder vermieden, wobei der Flüssigkeitsfilm 162 durch Flüssigkeit gebildet ist, die aus dem schaufelseitigen Strömungswegauslass 112 austritt.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der hierin offenbarten Gegenstände darstellen. So ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass der Fachmann mit den hier explizit beschriebenen Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind. Ferner sollte erwähnt werden, dass die Begriffe wie "ein" oder "eines" eine Mehrzahl nicht ausschließen. Begriffe wie "enthaltend" oder "aufweisend" schließen weitere Merkmale oder Verfahrensschritte nicht aus.
  • Zusammenfassend bleibt festzustellen, dass hierin eine Turbine und eine Turbinenschaufel für eine Turbine offenbart werden, wobei die Turbinenschaufel einen schaufelseitigen Flüssigkeitsströmungsweg mit einem schaufelseitigen Strömungswegeinlass und einem schaufelseitigen Strömungswegauslass aufweist, wobei dem schaufelseitigen Strömungswegeinlass von einer Welle her Flüssigkeit zuführbar ist, die dann durch den schaufelseitigen Strömungswegauslass austritt, um auf diese Weise eine Erosion der Turbinenschaufel zu vermindern oder zu vermeiden. Wellenseitig wird die Flüssigkeit in einen entsprechenden Flüssigkeitskanal geführt, in welchen die Flüssigkeit beispielsweise in einen auf einer Stirnseite der Welle angeordneten, wellenseitigen Strömungswegeinlass eingespritzt wird.

Claims (11)

  1. Dampfturbinenschaufel (102) zur Montage auf einer Welle (120), die Dampfturbinenschaufel (102) enthaltend:
    - einen Schaufelfuß (104)
    - einen schaufelseitigen Flüssigkeitsströmungsweg (106) mit einem schaufelseitigen Strömungswegeinlass (110) und einem schaufelseitigen Strömungswegauslass (112);
    - wobei der schaufelseitige Strömungswegeinlass (110) angeordnet und ausgebildet ist zum Aufnehmen von Flüssigkeit von einem wellenseitigen Strömungswegauslass (122) der Welle (120);
    - wobei der schaufelseitige Strömungswegauslass (112) in einer Richtung (108) von dem Schaufelfuß (104) weg mit Abstand von dem schaufelseitigen Strömungswegeinlass (110) und in einem vorderen Randbereich (114) der Dampfturbinenschaufel (102) angeordnet ist.
  2. Dampfturbinenschaufel (102) nach Anspruch 1, wobei der schaufelseitige Strömungswegauslass (112) angeordnet und ausgebildet ist zum Erzeugen eines Flüssigkeitsfilms (162) auf einem Oberflächenabschnitt mit einer durch den schaufelseitigen Strömungswegauslass (112) abgegebenen Flüssigkeit (124).
  3. Dampfturbinenschaufel (102) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der schaufelseitige Strömungswegeinlass (110) in dem Schaufelfuß (104) gebildet ist.
  4. Dampfturbinenschaufel (102), nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der schaufelseitige Flüssigkeitsströmungsweg (106) einen Hauptkanal (126) mit dem schaufelseitigen Strömungswegeinlass (110) und mindestens zwei Nebenkanäle (128) aufweist, wobei die mindestens zwei Nebenkanäle mit dem Hauptkanal (126) strömungsmäßig verbunden sind und den schaufelseitigen Strömungswegauslass (112) bilden.
  5. Turbine, enthaltend
    - eine Welle (120) und
    - eine Vielzahl von Dampfturbinenschaufeln (102) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welche mit ihrem Schaufelfuß (104) an der Welle (120) montiert sind,
    - wobei die Welle (120) den wellenseitigen Strömungsweg mit mindestens einem wellenseitigen Strömungswegauslass (122) aufweist, wobei jedem schaufelseitigen Strömungswegeinlass (110) ein wellenseitiger Strömungswegauslass (122) zugeordnet ist und der schaufelseitige Strömungswegeinlass (110) dem zugeordneten wellenseitigen Strömungswegauslass (122) gegenüberliegend angeordnet ist.
  6. Turbine nach Anspruch 5, wobei der mindestens eine wellenseitige Strömungswegauslass (122) eine Ringnut umfasst oder durch eine Ringnut gebildet ist.
  7. Turbine nach Anspruch 5 oder 6, wobei der wellenseitige Strömungswegeinlass (136) auf einer Stirnseite der Welle angeordnet ist.
  8. Turbine nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der wellenseitige Strömungswegeinlass (136) eine Ringnut aufweist oder durch eine Ringnut gebildet ist.
  9. Turbine nach Anspruch 5 oder 6, wobei
    - der wellenseitige Strömungswegeinlass (136) durch eine Ringnut auf einer Stirnseite (138) der Welle (120) gebildet ist;
    - die Ringnut eine stirnseitige Öffnung (140) in der Welle (120) definiert; und
    - ein der stirnseitigen Öffnung (140) gegenüberliegender Nutgrund (142) der Ringnut sich in radialer Richtung nach außen hin über die stirnseitige Öffnung hinaus erstreckt und so eine Hinterschneidung (146) bildet.
  10. Turbine nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei der wellenseitige Strömungsweg zwischen dem wellenseitigen Strömungswegeinlass (136) und dem wellenseitigen Strömungswegauslass (122) durch mindestens zwei Kanäle (134) in der Welle (120) gebildet ist.
  11. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ferner enthaltend:
    - eine Einspritzvorrichtung (148) zum Einspritzen von Flüssigkeit in den wellenseitigen Strömungswegeinlass (136).
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