Einströmungskontur für Einwellenanordnung

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine umfassend einen um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, ein um den Rotor angeordnetes Gehäuse und ein zwischen dem Rotor und dem Gehäuse gebildeten Strömungskanal, weiter umfassend einen Einströmbereich, der einen Einströmstutzen aufweist und in einen Einströmringkanal mündet, wobei der Einströmringkanal im Wesentlichen einen Ringkanal-Querschnitt aufweist und strömungstechnisch mit dem Strömungskanal verbunden ist, wobei der Einströmringkanal um die Rotationsachse ausgebildet ist, wobei der Einströmstutzen einen Einström-Querschnitt aufweist, durch den im Betrieb ein Strömungsmedium in einer Strömungsrichtung strömt.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Anbin- dung eines Einströmstutzens an einen Einströmringkanal.

Dampfturbinen umfassen im Wesentlichen ein um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der Laufschaufeln umfasst sowie ein mit Leitschaufeln ausgebildetes Gehäuse, wobei zwi- sehen dem Rotor und dem Gehäuse ein Strömungskanal gebildet ist, der die Leit- und Laufschaufeln umfasst. Eine thermische Energie des Dampfes wird in eine mechanische Energie des Ro ^¬ tors umgewandelt. Es sind verschiedene Teilturbinen bekannt, die beispielsweise in Hochdruck-, Mitteldruck- und/oder Nie- derdruck-Teilturbinen eingeteilt werden. Die Einteilung der Teilturbinen in einen Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdruckteil ist in der Fachwelt nicht einheitlich definiert. Die Einteilung hängt jedenfalls zwingend vom Druck und der Temperatur des einströmenden und ausströmenden Dampfes ab.

Des Weiteren sind Ausführungsformen bekannt, bei denen ein Hochdruckteil und ein Mitteldruckteil in einem gemeinsamen Außengehäuse angeordnet sind. Solche Ausführungsformen erfor- dern zwei Einströmbereiche, die dicht nebeneinander angeord ^¬ net sind. Dabei ist es aus rotordynamischen Aspekten erforderlich, dass die Hochdruck- und Mitteldruckeinströmung dicht aneinander liegen, da der axiale Raum begrenzt ist. Des Wei- teren ist es kostengünstiger, wenn der Hochdruck- und der Mitteldruckeinströmbereich dicht nebeneinander angeordnet sind .

Des Weiteren ist es bekannt, den Dampf über Ventile dem Strö- mungskanal zuzuführen. Dabei strömt ein Dampf durch ein

Schnellschluss- und ein Regelventil und anschließend in einen Einströmbereich und von dort in einen Ringkanal. Der Ringkanal ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch um die Rotationsachse ausgebildet. Die Geschwindigkeiten des Dampfes im Ringkanal sollten möglichst gleichmäßig und gering sein. Bei Zweiventilanordnungen, das bedeutet ein Dampf strömt über zwei Ventile und somit über zwei Einströmbereiche in den Einströmkanal sind die Strömungsverhältnisse im Ringkanal an ^¬ ders als in Einventilanordnungen. Bei Einventilanordnungen strömt der Dampf über lediglich einen Einströmbereich in den Ringkanal. Bei Einventilanordnungen ist der Querschnitt des Ringkanals in der Regel größer als der Querschnitt des Ring ^¬ kanals bei einer Zweiventilanordnung. Dies erfolgt im Wesent ^¬ lichen deswegen, damit die Strömungsgeschwindigkeiten auf ei- nem niedrigen Niveau gehalten werden.

Möglich wäre es den Ringkanal in radialer Richtung zu vergrößern, was allerdings innendruckgetriebene Spannungen im In ^¬ nengehäuse erhöht. Andererseits würde eine Erhöhung der Wand- stärke zu einer Spannungsreduktion führen, was wiederum auf eine Erhöhung der Temperatur-getriebenen Spannungen führen würde. Diese beiden Auslegungskonzepte gilt es zu optimieren.

Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, einen Ein- Strömbereich anzugeben, der zu verbesserten Strömungsverhältnissen führt. Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Dampfturbine umfassend einen um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, ein um den Rotor angeordnetes Gehäuse und ein zwischen dem Rotor und dem Gehäuse gebildeten Strömungskanal, weiter umfassend einen Einströmbereich, der einen Einströmstutzen aufweist und in einen Einströmringkanal mündet, wobei der Einströmringkanal im Wesentlichen einen Ringkanal-Querschnitt aufweist und strömungstechnisch mit dem Strömungskanal verbunden ist, wobei der Einströmringkanal um die Rotationsachse ausgebildet ist, wobei der Einströmstutzen einen Einström-Querschnitt aufweist durch den im Betrieb ein Strömungsmedium in einer Strömungsrichtung strömt, wobei der Querschnitt in Strömungs ^¬ richtung sich auf einen Maximal-Querschnitt vergrößert und anschließend auf den Ringkanal-Querschnitt verkleinert.

Mit der Erfindung wird somit der Ansatz verfolgt, die Strö ^¬ mungsgeschwindigkeiten im Einströmbereich zu ändern, was durch eine Geometrieänderung des Einströmbereichs erfolgt. Im Wesentlichen wird dabei die Anbindung des Querschnitts zwi- sehen dem Einströmstutzen und dem Ringkanal modifiziert, wo ^¬ bei der Querschnitt über den Ringkanal-Querschnitt hinaus vergrößert und nach der Verlangsamung der Strömung eine erneute Beschleunigung, allerdings in einer anderen Richtung erreicht wird.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen angegeben. So ist in einer vorteilhaften Weiterbildung das Verhältnis zwischen Maximal-Querschnitt A2 und Einström-Quer ^¬ schnitt AI folgendermaßen:

1,1 < A2/A1 < 1,7.

Durch Optimierungsversuche und Strömungsmodelle konnte ermit ^¬ telt werden, dass die vorgenannte Beziehung zu einer optima- len Strömung führt.

Des Weiteren sind in einer vorteilhaften Weiterbildung folgende Zusammenhänge dargestellt: 0, 7 < A3/A1 < 1,0, wobei A3 den Ringkanal-Querschnitt darstellt.

Auch hier wurde durch Modelle und Rechnungen eine optimale Einströmung mit den vorgenannten Werten ermittelt.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese soll die Ausführungsbei ^¬ spiele nicht maßgeblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wohl zu Erläuterungen dienlich, in schematischer und/oder leicht verzehrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der in der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen.

Es zeigen: Figur 1 eine schematische Querschnittsansicht eines Ein ^¬ strömbereichs

Figur 2 einen Schnitt B-B aus Figur 1

Figur 3 einen Schnitt A-A aus Figur 1

Figur 4 einen Schnitt A-A aus Figur 1 in einer alternati- ven Ausführungsform

Figur 5 einen Schnitt A-A aus Figur 1 in einer alternativen Ausführungsform

Figur 6 eine schematische Darstellung der Strömungsverhältnisse gemäß dem Stand der Technik Figur 7 eine schematische Darstellung der Strömungsverhältnisse gemäß der Erfindung. Figur 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Einströmbereichs 1 einer Dampfturbine. Die Dampfturbine ist in der Figur 1 nicht näher dargestellt. Im Wesentlichen umfasst die Dampf ^¬ turbine einen drehbar gelagerten Rotor, der um eine Rotation- sachse 2 drehbar gelagert ist. Um den Rotor ist ein Gehäuse, zum Beispiel ein Innengehäuse angeordnet.

Um das Innengehäuse kann ein weiteres Gehäuse, zum Beispiel ein Außengehäuse angeordnet werden. Zwischen dem Rotor und dem Gehäuse ist ein Strömungskanal (nicht dargestellt) ausge ^¬ bildet. Der Rotor umfasst auf seiner Oberfläche mehrere Lauf- schaufeln. Das Innengehäuse weist auf seiner Innenoberfläche mehrere Leitschaufeln auf. Der Strömungskanal wird somit durch die Leit- und Laufschaufeln gebildet, wobei im Betrieb eine thermische Energie des Dampfes in eine Rotationsenergie des Rotors umgewandelt wird. Die Figur 1 zeigt nunmehr den Einströmbereich einer Dampfturbine, wobei der Strömungskanal in Rotationsachsenrichtung gerichtet ist. Der Einströmbereich 1 umfasst einen Einströmringkanal 3. Dieser ist im Wesentli- chen rotationssymmetrisch zur Rotationsachse 2 ausgebildet und weist eine äußere Begrenzung 4 auf. Diese äußere Begren ^¬ zung 4 ist zumindest ab der 6-Uhr-Position 5 bis zur 3-Uhr- Position 7 rotationssymmetrisch ausgebildet. Das bedeutet, dass ein Gehäuseradius 8 von der 6-Uhr-Position 6 bis zur 3- Uhr-Position 7 konstant ist.

Der Einströmbereich weist des Weiteren einen Einströmstutzen 9 auf. Der Einströmstutzen 9 ist im Wesentlichen eine röhrenförmige Verbindung, die eine nicht dargestellte Dampfleitung mit dem Einströmringkanal 3 verbindet. Der Einströmstutzen 9 hat eine individuelle geometrische Form. Diese Form wird nun näher beschrieben. Die Anfangskontur 10 bildet den Anschluss zu einer röhrenförmigen Dampfleitung (nicht dargestellt) . Der Querschnitt der Anfangskontur 10 kann somit kreisförmig sein. Es sind aber auch andere geometrische röhrenförmige Konturen möglich. Diese Anfangskontur 10 umfasst eine untere Stutzenbegrenzung 11, die derart ausgebildet ist, dass diese in der 6-Uhr-Position 5 anschließt. Das heisst, dass die untere Stutzenbegrenzung 11 tangential zur Rotationsachse 2 zur äu ^¬ ßeren Begrenzung 4 gerichtet ist. Dabei kann die untere

Stutzenbegrenzung 11 durchaus so angeordnet sein, dass in der Nähe der Anfangskontur 10 diese unter der äußeren Begrenzung 4 an der 6-Uhr-Position 5 angeordnet ist. Die untere Stutzenbegrenzung 11 an der Anfangskontur 10 ist somit um einen Höhenabstand 12 niedriger als die äußere Begrenzung 4 in der 6-Uhr-Position 5.

Der Einströmstutzen 9 umfasst des Weiteren eine obere

Stutzenbegrenzung 13. Die obere Stutzenbegrenzung 13 beginnt von der Anfangskontur 10 und beschreibt einen halbkreisförmigen Bogen nach oben zur 3-Uhr-Position 7. An der 3-Uhr-Posi- tion 7 schließt die obere Stutzenbegrenzung 13 tangential zur äußeren Begrenzung 4 an. Der Einströmstutzen 9 mündet somit in den Einströmringkanal 3. Der Einströmringkanal 3 weist im Wesentlichen einen Ringkanal-Querschnitt A3 auf (nicht näher dargestellt) und ist strömungstechnisch mit dem Strömungs ^¬ kanal (nicht dargestellt) verbunden. Aus Gründen der Anschau ^¬ lichkeit ist in der Figur 1 der Ringkanal-Querschnitt A3 in der 9-Uhr-Position 14, in der 12-Uhr-Position 15 und in der 3-Uhr-Position 7 eingezeichnet.

Der Einströmstutzen 9 weist bei der Anfangskontur 10 einen Einström-Querschnitt AI auf. Der Einström-Querschnitt AI kann kreisförmig oder auch eine ovale Form aufweisen. Im Betrieb strömt ein Strömungsmedium, insbesondere Dampf durch die Dampfturbine in einer Strömungsrichtung 16 in den

Einströmringkanal 3. Die Strömung des Dampfes in den

Einströmringkanal ist komplex und wird später in der Figur 6 und Figur 7 näher beschrieben. Für das Verständnis der in Figur 1 gezeigten Kontur wird der Übersichtlichkeit wegen die Strömung durch eine Strömungslinie 17 dargestellt. Die Strö ^¬ mungslinie 17 soll im Wesentlichen die Bewegung des Strö- mungsmediums im Einströmringkanal darstellen. Die Strömung beginnt somit an der Anfangskontur 10 und wird ca. in der 5- Uhr-Position 18 in Anfangsrichtung umgelenkt. Entlang der Strömungslinie 17 weist der Einström-Querschnitt AI einen be- stimmten Wert auf und vergrößert sich auf einen Maximai- Querschnitt A2. Der Maximal-Querschnitt ist in der Figur 1 durch eine Linie gezeichnet, wobei die Linie auch einen

Schnitt A-A darstellt, der in Figur 3, 4 und 5 näher be- schrieben wird. Erfindungsgemäß wird somit der Querschnitt in Strömungsrichtung 16 auf einen Einström-Querschnitt AI und anschließend auf den Ringkanal-Querschnitt A3 verkleinert. Dies führt dazu, dass die Strömung verlangsamt wird und er ^¬ neut beschleunigt wird, allerdings in eine andere Richtung. Mit anderen Worten: die Strömungsgeschwindigkeit wird im Ver ^¬ lauf des Querschnittseinlasses zum Eintritt in den Ringkanal verlangsamt und anschließend wieder beschleunigt, wobei ein Anteil der Geschwindigkeit in tangentialer Richtung in eine Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung umgewandelt wird. Diese radiale Strömungsgeschwindigkeitskomponente ver ^¬ sperrt der umlaufenden tangentialen Strömung den Weg und presst somit dem Dampf axial in den Strömungskanal. Dadurch werden Einströmverluste minimiert. Hierbei gilt:

1,1 < A2/A1 < 1,7 und 0,7 < A3/A1 < 1,0

Die Figur 2 zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Linie II-II aus Figur 1. Dabei zeigt die Linie 19 den Einström- Querschnitt AI und die Linien 20, 21 und 22 drei verschiedene Ausführungsformen, die wie folgt beschreibbar sind. Die Linie 20 beschreibt eine Kontur bei der das Verhältnis A2/A1 = 1 ist. Die Linie 21 beschreibt eine Kontur, bei der das Ver- hältnis A2/A1 = 1,25 ist. Die Linie 22 beschreibt eine Kon ^¬ tur, bei der das Verhältnis A2/A1 = 1,55 ist.

Die Figur 3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-A aus Figur 1. Die Figuren 4 und 5 zeigen weitere Querschnitte auf, entlang der Schnittstelle A-A aus Figur 1 für verschiedene Verhältnisse. So zeigt Figur 3 das Verhältnis A2/A1 = 1,55. Die Figur 4 zeigt das Verhältnis A2/A1 = 1,25 und die Figur 5 zeigt das Verhältnis A2/A1 = 1. Die Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung der Strö ^¬ mungsverhältnisse im Einströmbereich 1 bei einer verlustbe ^¬ hafteten Strömung. Im Ausschnitt 23 wird eine perspektivische Darstellung des Einströmstutzens des Einströmbereichs 1 ge ^¬ zeigt. Die Figur 6 zeigt hierbei eine Ausführungsform, bei der der Querschnitt nicht vergrößert wird in der Strömungs ^¬ richtung. In Figur 6 ist darüber hinaus gezeigt, dass die Strömung im Einströmbereich eine starke Umfangskomponente in einem kritischen Bereich 24 aufweist. Die Figur 7 zeigt hingegen eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Einströmstutzens 9. Der weitere Abschnitt 24 zeigt eine perspektivi ^¬ sche Darstellung des Einströmstutzens 9 des Einströmbereichs 1. Es ist zu sehen, dass an einer Anfangskontur 10 der dor- tige Querschnitt AI in Strömungsrichtung zu einem Maximai- Querschnitt A2 vergrößert wird und anschließend zu einem kon ^¬ stanten Ringkanal-Querschnitt A3 verkleinert wird. Die in Fi ^¬ gur 1 gezeigte Ausführungsform zeigt eine Einventilanordnung. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde die Kontur einer mög- liehen zweiten Ventilführung 25 gezeigt.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge- schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .