Einrichtung zur Führung und Teilung eines Fluidstroms sowie Verwendung in einer Dampf urbine

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Führung und Tei¬ lung eines Fluidstroms mit einem Strömungskanal, welcher ent¬ lang einer Mittellinie gerichtet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung der Einrichtung zur Teilung einer DampfStrömung in einer Dampfturbinenanlage.

Die Aufteilung eines Fluidstromes in mehrere Teilströme fin¬ det in verschiedenen Gebieten der Technik Anwendung. In der DE 30 32 984 AI ist beispielsweise eine Rohr-Verteilerstation für die Verteilung von flüssigen oder dampfförmigen Medien in Rohrnetzen beschrieben. Ein typischer Fall ist hierbei die Verteilung von erwärmtem Wasser oder Dampf in Heizungssyste¬ men. Zur Verteilung ist ein Rohrabschnitt vorgesehen, der in axialer Richtung voneinander beabstandete Öffnungen aufweist und in dem Bereich der Öffnungen als Doppelrohr mit einem je¬ weiligen Auslaß ausgeführt ist. In der DE 25 10 830 B2 ist eine Vorrichtung zum Aufteilen eines Fluidstromes auf mehrere Leitungen, bestehend aus einem zu einer Längsachse drehsyme- trischen Raum, der von einem einzigen Einlaß gespeist wird, beschrieben. Mit der Vorrichtung wird aus einem einzigen Fluidstrom, der z. B. ein Pulver in Suspension enthalten kann, eine homogene Verteilung zwischen den unterschiedlichen sekundären Gasflüssen erzielt, die aus dem einzigen Fluid¬ strom kommen. In der US-PS 3,794,056 ist ein Strömungsteiler beschrieben, welcher ein einziges Strömungssignal in gleich¬ artige Strömungspulse aufteilt. Ein einziger Zuführkanal mit konstantem Durchmesser geht in einen Bereich über, in dem axial hintereinander eine Mehrzahl von Auslaßkanälen angeord¬ net sind. In diesem Bereich verengt sich der Zuführkanal von Auslaß zu Auslaß um jeweils den gleichen Betrag. In der

DE 83 31 289 Ul ist eine Rohrverzweigung, insbesondere für pneumatische Förderleitungen mit einem quergeteilten Verzwei¬ gergehäuse beschrieben. Ein abströmseitiges Gehäuseteil weist einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt auf.

In dem Artikel "Dampf urbinen für GuD-Kraftwerke" von W. Engelke in Brennstoff-Wärme-Kraft, Band 41, 1989, Seiten 335 - 342, VDI-Verlag, Düsseldorf, sind verschiedene Dampf¬ turbinen mit einer Überströmung von Dampf aus einer Mittel- druck-Teilturbine in eine Niederdruck-Teilturbine oder in zwei Niederdruck-Teilturbinen beschrieben. Bei einer Über¬ strömung von Dampf durch eine Überströmleitung hindurch in zwei Niederdruck-Teilturbinen findet eine Verengung der Über¬ strömleitung stromab des Abzweiges für die erste Niederdruck- Teilturbine statt. Die Überströmleitung besteht somit aus zwei Rohrsegmenten mit unterschiedlichem Rohrdurchmesser, wo¬ durch zumindest zwei Axial-Ko pensatoren mit ebenfalls unter¬ schiedlichem Durchmesser erforderlich sind. Die gezeigten Kompensatoren bewirken einen axialen Dehnungsausgleich, wel- eher aufgrund einer unterschiedlichen Wärmedehnung zwischen der Überströmleitung und den Teilturbinen erforderlich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Führung und Teilung eines Fluidstroms anzugeben, bei der in einem Strömungskanal Fluidteilströme strömungstechnisch voneinander getrennt führbar sind.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Einrichtung zur Führung und Teilung eines Fluidstroms mit einem Strömungska- nal, welcher entlang einer Mittellinie gerichtet ist, dadurch gelöst, daß ein sich entlang der Mittellinie erstreckendes Stromteilungselement vorgesehen ist, welches den Querschnitt des Strömungskanals zumindest in zwei strömungstechnisch von¬ einander-getrennte Querschnittssegmente teilt und welches entlang der Mittellinie so verdreht ist, daß sich die Lage der Querschnittsεegmente entlang der Mittellinie ändert.

Hierdurch ist gewährleistet, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Fluides, insbesondere von Dampf einer Dampfturbinenanla- ge, für jeden Fluidteilstrom weitgehend gleich ist. Durch ei- ne Teilung des Strömungskanals in zwei oder mehrere voneinan¬ der strömungstechnisch getrennte Querschnittssegmente ist ei¬ ne Ableitung von Fluid aus jedem der Querschnittssegmente oh¬ ne Beeinflussung des anderen Fluidteilstroms oder der anderen Fluidteilströme gewährleistet. Hierdurch ist insbesondere ei- ne strömungstechnische Verbindung einer Mitteldruck-Teiltur¬ bine mit zwei oder mehreren Niederdruck-Teilturbinen einer Dampfturbinenanlage erreicht.

Vorzugsweise ist das Stromteilungselement entlang der Mittel- linie zumindest bereichsweise kontinuierlich verdreht, so daß sich die Lage der Querschnittssegmente entlang der Mittelli¬ nie ebenfalls zumindest bereichsweise kontinuierlich, insbe¬ sondere schraubenlinienförmig, ändert. Hierdurch ist insbe¬ sondere bei Querschnittssegmenten gleicher Form erreicht, daß in vorbestimmten, insbesondere konstanten Abständen, ein Querschnittssegment die Position eines benachbarten Quer¬ schnittsegmentes annimmt, wodurch eine Ausleitung der Fluid¬ teilströme gleichgerichtet erfolgt. Eine Verdrehung des Stromteilungselementes findet bevorzugt unmittelbar stromab einer Auslaßöffnung zur Abzweigung eines Fluidteilstroms statt. Dies hat den Vorteil, daß der Strömungskanal modulhaft aus jeweiligen Segmenten mit jeweiliger Auslaßöffnung und vorgegebener Verdrehung des Stromteilungselementes aufbaubar ist.

Entsprechend der Anzahl an Querschnittssegmenten sind in dem Strömungskanal vorzugsweise zur Ausleitung eines jeweiligen Fluidteilstroms voneinander beabstandete Auslaßöffnungen vor¬ gesehen. Die Auslaßδffnungen sind jeweils in demselben Teil- bereich der Wandstruktur des Strömungskanals angeordnet, so daß jeder Auslaßöffnung ein anderes Querschnittssegment zuge-

ordnet ist. Hierdurch ist erreicht, daß durch die Verdrehung des Stromteilungselementes entlang der Mittellinie jeder Fluidteilstrom ohne Beeinflussung der anderen Fluidteilströme in gleicher Art und Weise aus dem Strömungskanal ausgeleitet werden kann. Die Auslaßöffnungen liegen hierbei vorzugsweise in dem geodätisch tiefstliegenden Bereich der Wandstruktur. Die Ausleitung jedes Fluidteilstroms, insbesondere eines DampfStromes einer Dampfturbinenanlage, erfolgt somit verti¬ kal nach unten gerichtet. Der Dampf aus einer Mitteldruck- Teilturbine ist somit in zwei, drei oder mehr Teilströme mit im wesentlichen gleicher Strömungsgeschwindigkeit und glei¬ cher Strömungsrichtung in eine jeweilige Niederdruck-Teil- turbine leitbar. Die Niederdruck-Teilturbinen werden somit im wesentlichen strömungstechnisch äquivalent beaufschlagt.

Vorzugsweise hat der Strömungskanal einen kreisförmigen Quer¬ schnitt. Das Stromteilungselement kann einen kreisförmigen oder auch andersartigen Querschnitt in drei weitgehend glei¬ che 120° Kreissegmente oder ähnliche Segmente unterteilen. Hierdurch ist der Volumenstrom von Dampf aus einer Mittel¬ druck-Teilturbine in drei gleiche Teilströme zu drei neben¬ einander angeordneten Niederdruck-Teilturbinen aufteilbar, so daß die Strömungsgeschwindigkeit jedes Teilstroms im wesent¬ lichen konstant bleibt und allenfalls geringfügige Wirbel- und Strömungsverluste auftreten. Die konstruktive Ausgestal¬ tung eines Abzweigungsbereiches in der Wandstruktur des Strö¬ mungskanals kann hierbei für jede Niederdruck-Teilturbine identisch ausgeführt sein, wodurch die Fertigung deutlich vereinfacht ist.

Der Strömungskanal hat vorzugsweise einen konstanten Quer¬ schnitt. Er kann zumindest in zwei Strömungskanalkomponenten mit gleichem Querschnitt aufgeteilt sein, die über einen Kom- pensator-miteinander verbunden sind. Der Kompensator gleicht Dehnungsunterschiede zwischen dem Strömungskanal und den

Teilturbinen aus . Diese Dehnungsunterschiede können mehrere

Zentimeter betragen. Ein Strömungskanal mit konstantem Quer¬ schnitt und mit einem Stromteilungselement hat den Vorteil, daß die Strömungsgeschwindigkeit auch nach jeder Abzweigung eines Fluidteilstroms in jedem der verbleibenden Fluidteil- ströme weitgehend konstant bleibt. Bei einem Strömungskanal ohne Stromteilungselement würde hingegen nach jedem Abzweig der Volumenstrom abnehmen und dadurch Wirbel- und Strömungs- verluste auftreten, da insbesondere bei der Umlenkung oder Zuführung zu den stromabgelegenen Abzweigen eine Beschleuni- gung erfolgen würde. Gegenüber Strömungskanälen, insbesondere Überströmleitungen in einer Dampfturbinenanlage, mit abneh¬ menden Durchmesser hat ein Strömungskanal mit konstantem Durchmesser den Vorteil, daß weniger Kompensatoren benötigt werden und die noch erforderlichen Kompensatoren zudem eine einheitliche Größe aufweisen. Stromab eines jeden Abzweiges weist das entsprechende Querschnittssegment Druckausgleichs- Vorrichtungen, insbesondere Bohrungen auf, die eine Druckkom¬ pensation ermöglichen. Stromab der Auslaßöffnung jedes Quer¬ schnittssegmentes wird der durch das Querschnittssegment ge- bildete Volumenbereich des Strömungskanals vorzugsweise nicht mehr durchströmt.

Vorzugsweise eignet sich die Einrichtung mit Strömungskanal und Stromteilungselement zur Teilung und Führung einer Dampf- Strömung in einer Dampfturbinenanlage, insbesondere in einer Überströmleitung, welche eine Mitteldruck-Teilturbine mit zwei oder mehr Niederdruck-Teilturbinen strömungstechnisch verbindet. Der Einrichtung wird hierzu Dampf aus der Mittel- druck-Teilturbine über eine Einlaßöffnung zugeführt. Dieser Dampf wird in dem Strömungskanal durch das Stromteilungsele¬ ment in zwei oder mehrere vorzugsweise gleich große Volumen¬ ströme geteilt, wobei jeder Volumenteilström über eine jewei¬ lige Auslaßöffnung einer jeweilgen Niederdruck-Teilturbine zugeführt wird. Die Ausleitung der Dampfteilströme erfolgt vorzugsweise unmittelbar vertikal nach unten. Durch die Ver¬ drehung des Stromteilungselementes können somit die Nieder-

druck-Teilturbinen entlang einer Achse unmittelbar nebenein¬ ander aufgestellt und jeweils mit der gleichen Menge und der gleichen Strömungsgeschwindigkeit mit Dampf beaufschlagt wer¬ den. Bei Verwendung eines Strömungskanals mit einem konstan- ten Querschnitt vereinfacht sich die konstruktive Herstellung der Einrichtung weiter, da insbesondere die Anzahl erforder¬ licher Kompensatoren auf ein Minimum reduziert und diese in einer einheitlichen Größe verwendet werden können.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispie¬ le werden die Einrichtung sowie ihre Verwendung in einer Dampfturbinenanlage näher erläutert. Es zeigen:

FIG 1 eine Dampfturbinenanlage mit einer Mitteldruck- Teilturbine und drei Niederdruck-Teilturbinen in einem Längsschnitt, FIG 2 einen Längsschnitt durch einen die Mitteldruck- Teilturbine und die Niederdruck-Teilturbinen verbindenden Strömungskanal sowie FIG 3, 4, 5 einen Querschnitt durch den Strömungskanal.

FIG 1 zeigt eine Dampfturbinenanlage 16 mit entlang einer Wellenachse 19 angeordneter Hochdruck-Teilturbine 13, Mittel- druck-Teilturbine 14 und drei Niederdruck-Teilturbinen 15a, 15b, 15c in einem Längsschnitt. Aus der Mitteldruck-Teiltur¬ bine 14 strömt in Pfeilrichtung Dampf 7 über eine Einlaßöff¬ nung 11 in eine Einrichtung 1 zur Führung und Teilung eines Fluidstroms, hier eines DampfStromes, ein. Der vertikal nach oben austretende Dampf 7 wird in die Horizontale umgelenkt und gelangt in einen Strömungskanal 2, welcher sich entlang einer Mittellinie 3 erstreckt. Der Strömungskanal 2 weist drei Strömungskanalkomponenten 2a, 2b und 2c auf. Die Strö¬ mungskanalkomponenten 2a, 2b, 2c haben jeweils den gleichen Querschnitt 6 und sind durch einen jeweiligen Ko pensator 12 gleicher Größe miteinander verbunden. Entlang der Mittellinie 3 erstreckt sich eine Spannstange 17, die die Strömungskanal-

komponenten 2a, 2b, 2c dichtend zusammenhält. Jede Strömungs¬ kanalkomponente 2a, 2b, 2c hat in dem geodätisch tiefstlie- genden Teilbereich 10 der Wandstruktur 9 des Strömungskanals

2 eine jeweilige Auslaßöffnung 8a, 8b, 8c. Jede Auslaßöffnung 8a, 8b, 8c geht in einen jeweiligen Abzweig 20, beispielswei¬ se einen Krümmer, zur Einleitung eines jeweiligen Dampfteil- Stroms in eine jeweilige Niederdruck-Teilturbine 15a, 15b, 15c über. In dem Strömungskanal 2 ist ein Stromteilungsele¬ ment 4 vorgesehen, welches sich entlang der Mittellinie 3 er- streckt, den Querschnitt 6 des Strömungskanals 2 in drei gleiche Querschnittssegmente 5a, 5b, 5c unterteilt (siehe FIG

3 bis 5) und so verdreht ist, daß an jeder Auslaßöffnung 8a, 8b, 8c ein jeweils anderes Querschnittssegment 5a, 5b, 5c an¬ liegt. Hierdurch erfolgt ein Ausleiten eines DampfteilStroms jeweils vertikal nach unten in dem geodätisch tiefstliegenden Bereich 10 der Wandstruktur 9 des Strömungskanals 2. Dies er¬ möglicht eine besonders, auch konstruktiv, einfache Zuleitung von Dampfteilströmen an Niederdruck-Teilturbinen 15a, 15b, 15c einer Dampfturbinenanlage 16.

FIG 2 zeigt in einem vergrößerten Maßstab einen Ausschnitt des Strömungskanals 2 gemäß FIG 1. Die Bedeutung der Bezugs¬ zeichen entspricht der jeweiligen Bedeutung gemäß FIG 1. Der Strömungskanal 2 hat, wie in FIG 3 bis 5 dargestellt, einen kreisförmigen Querschnitt 6. Dieser Querschnitt 6 ist durch das Stromteilungselement 4 in drei Querschnittssegmente 5a, 5b, 5c gleicher Querschnittsfläche unterteilt, die jeweils ein Kreissegment mit einem Öffnungswinkel von 120° bilden. Das Stromteilungselement 4 ist durch drei Bleche gebildet, die an der Mittellinie 3 zusammenstoßen und dort verbunden, insbesondere verschweißt, sind. Das Stromteilungselement 4 bildet somit einen sternförmigen, wärmebeweglichen Einsatz mit drei jeweils einen Öffnungswinkel von 120° bildenden durch Bleche gebildete Strahlen. Gemäß FIG 2 findet in einem Teilbereich 18 stromab der ersten Auslaßöffnung 8a eine kon¬ tinuierliche Verdrehung des Stromteilungselementes 4 in Uhr-

8 zeigerrichtung statt. Die Position der die Querschnittsseg¬ mente 5a, 5b, 5c trennenden Bleche ist mit den griechischen Buchstaben α, ß, γ an drei verschiedenen Position (FIG 3, FIG 4, FIG 5) in dem Teilbereich 18 dargestellt. In dem Teil- bereich 18 findet eine Drehung des Stromteilungselementes 4 um 120° statt. Stromauf des Teilbereichs 18 steht somit das Querschnittssegment 5b mit dem geodätisch tiefstliegenden Be¬ reich 10 der Wandstruktur 9 in Verbindung. Stromab des Teil¬ bereichs 18 hingegen steht das Querschnittssegment 5a mit dem geodätisch tiefstliegenden Teilbereich 10 in Verbindung. Ana¬ log erfolgt stromab der zweiten Auslaßöffnung 8b eine weitere Drehung um 120°, so daß an der dritten Auslaßöffnung 8c das Querschnittssegment 5c mit dem dritten DampfteilStrom mit dem geodätisch tiefstliegenden Bereich 10 in Verbindung steht. Je nach Anforderung der Dampfdurchsatzmenge sowie des einzuströ¬ menden Dampfvolumens in eine jeweilige Niederdruck-Teilturbi¬ ne 15a, 15b, 15c kann der Querschnitt 6 durch das Stromtei¬ lungselement 4 anders aufgeteilt werden. Eine Ausgestaltung des Abzweiges 20 zur Abzweigung von Dampf 7 aus einer jewei- ligen Auslaßöffnung 8a, 8b, 8c kann als Krümmer oder als spe¬ ziell geformtes Übergangsstück mit konstantem Querschnitt er¬ folgen. Durch eine Verdrehung des Stromteilungselements 4 stromab des Abzweigs 20 innerhalb einer Strömungskanalkompo¬ nente 2a, 2b, 2c ist die Anordnung der Querschnittssegmente 5a, 5b, 5c an den Enden der Strömungskanalkomponente 2a, 2b, 2c vorgegeben. Hierdurch ist eine besonders einfache Hinter- einanderreihung von Strömungskanalkomponenten 2a, 2b, 2c mit einer richtigen Übergabe der Dampfteilströme erreicht.

Die Erfindung zeichnet sich durch eine Einrichtung zur Füh¬ rung und Teilung eines Fluidstroms, insbesondere einer Dampf- Strömung aus einer Mitteldruck-Teilturbine in eine Mehrzahl von Niederdruck-Teilturbinen hinein, aus, bei der in einem Strömungskanal, einer ÜberStrömungsleitung, ein entlang der Mittellinie des Strömungskanals verdrehtes Stromteilungs- element vorgesehen ist. Mit dem Stromteilungselement wird je

nach Anzahl der mit Dampf zu beaufschlagenden Niederdruck- Teilturbinen eine Aufspaltung des Dampfstromes in eine ent¬ sprechende Anzahl an Dampfteilströmen mit weitgehend identi¬ scher Strömungsgeschwindigkeit erreicht. Durch die Verdrehung des Stromteilungselementes kann ein jeweiliger Dampfteilstrom vorzugsweise im geodätisch tiefstliegenden Bereich der Wand¬ struktur durch eine jeweilige Auslaßöffnung vertikal nach un¬ ten einer jeweiligen Niederdruck-Teilturbine zugeführt wer¬ den. Somit entfallen aufwendige Leitungskonstruktionen mit erhöhten Strömungswiderständen. Eine Dampf eaufschlagung von entlang einer Wellenachse angeordneter Niederdruck-Teilturbi- nen ist somit auf besonders einfache konstruktive Art gege¬ ben. Die Verwendung eines Stromteilungselementes erlaubt es zudem, den Strömungskanal über seine gesamte Länge mit kon- stantem Querschnitt auszuführen, so daß Strömungskanalkompo¬ nenten zwischen einzelnen Niederdruck-Teilturbinen jeweils mit einem Kompensator gleicher Größe verbunden werden können. Dies führt zu einer zusätzlichen Vereinfachung der Konstruk¬ tion der Einrichtung.