WO2011020664A2 - Drehschieber und turbinenanlage mit einem solchen drehschieber - Google Patents

Drehschieber und turbinenanlage mit einem solchen drehschieber Download PDF

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    • F05D2250/23—Three-dimensional prismatic
    • F05D2250/232—Three-dimensional prismatic conical

Definitions

  • the invention relates to a rotary valve according to the preamble of claim 1.
  • the invention further relates to a turbine system according to the preamble of claim 3.
  • rotary valve are characterized in that the disc-like design of the rotary ring and the fixed ring a flat Disk-shaped design is with cylinder circular surfaces, in which the passage openings for the medium are arranged, which flows through the through holes of the cylinder circular surfaces of the rotary valve.
  • the cylindrical surfaces of the rotary ring and the fixed ring are aligned perpendicular to the common central axis of the rotary ring and the fixed ring.
  • this object is achieved by a rotary valve having the features specified in the characterizing part of claim 1.
  • this object is achieved by a turbine system having the feature specified in the characterizing part of claim 3.
  • the rotary valve on a rotary ring and a retaining ring which are formed in the expansion direction of the central axis obtuse conical with a respective associated conical shell and have respectively arranged corresponding through holes on the respective associated conical surface.
  • Reference- lent to the turbine plant then has the turbine system such a rotary valve for the rotary valve used there.
  • the conical shape also allows greater pressure loads or force absorption due to cheaper power line. Technically results in a larger area moment of inertia. Due to the fact that a part of the forces generated by the pressure acts radially through the inclined mantle surfaces and forms a self-contained force circle in the conical ring, the contact forces of the rings are lower than with flat or quasi-flat rotary vents with a comparable flow area. This results in positive effects such as the reduction of the force and the wear of the rotary valve.
  • the central axis of the rotary valve is formed by a turbine shaft, for which the rotary valve is to be used as a control.
  • the medium flowing through the rotary valve can be a gas, a liquid or a vapor
  • one can turbine system concerned be a gas, liquid or steam turbine system.
  • FIG. 1 shows an oblique view of a rotary valve according to the invention in a three-dimensional representation
  • Figure 2 is a plan view of a rotary valve according to FIG.
  • FIG. 3 shows a first side view of the rotary valve according to FIG. 2 in a sectional view along a section A-A indicated in FIG. 2, FIG.
  • Figure 4 is a second side view of the rotary valve after
  • FIG. 2 shows a partial sectional illustration along a section B-B indicated in FIG. 2, and FIG.
  • Figure 5 is an oblique view of the rotary valve of Figure 3 in the closed position in a partial
  • FIGS. 1 to 5 will be described at the same time, with identical parts being designated by the same reference numerals.
  • FIGS. 1 to 5 show a basic solution for a rotary valve 1 according to the invention. In a representation of a division plane and associated flanges was omitted in the figures. Likewise, a rotor or a turbine shaft of a turbine system with the rotary valve 1 according to the invention is not shown in detail.
  • An alternative design of the conical shape of the rotary valve 1 in the flow direction of the medium flowing through the rotary valve 1 is also possible.
  • the rotary valve 1 has a rotary ring 2 and a fixed ring 3.
  • the rotary ring 2 and the fixed ring 3 are both, generally speaking, that is, in the broadest sense, equally formed as blunt cones. They are further arranged adjacent to each other.
  • the axis of the conical configuration of the rotating ring 2 and the fixed ring 3 is, as seen from the overall orientation, each aligned coincident to a common central axis 4.
  • the central axis 4 is for the rotary ring 2 at the same time an axis of rotation about which the rotary ring 2 relative to the fixed ring 3 is rotatable.
  • the rotary ring 2 has passage openings 5 and the fixed ring 3 has passage openings 6, of which only one in each case is provided with a reference numeral in the figures.
  • the through holes 5, 6 of the rotary ring 2 and the fixed ring 3 are arranged at a predetermined position of the rotary ring 2 relative to the fixed ring 3 ring in pairs opposite each other, in such a way that at a respective pair of through holes 5, 6 are each a maximum large total passage opening for the rotary valve 1 results. From this predetermined position results depending on a respective other position of the rotary ring 2 relative to the fixed ring 3 a smaller total passage opening, up to a completely closed total passage opening.
  • the rotary ring 2 and the fixed ring 3 are in the expansion direction of the central axis 4 bluntly conical with a respective associated conical surface 7, 8 ( Figures 1, 2).
  • the passage openings 5, 6 of the rotary ring 2 and the fixed ring 3 are respectively arranged on the respective associated conical jacket 7, 8 ( Figures 1, 2).
  • the central axis 4 may be formed, for example, by a turbine shaft of a turbine system on which the rotary valve 1 is arranged. In the figures, such a turbine shaft and also a correspondingly relevant turbine system are not shown in detail.
  • the rotary valve 1 In a turbine system, which has a rotary valve 1, which is discussed above, arranged on an associated turbine shaft, the rotary valve 1 is flowed through at some open passage openings 5, 6 by a medium which drives the turbine installation.
  • the flow rate of the medium flowing through per a given time unit can be adjusted by a corresponding position of the rotary ring 2 relative to the fixed ring 3 in a predetermined manner, whereby further the driving force of the turbine system is set in a predetermined manner.
  • the medium flowing through the rotary valve 1 can be a gas, a liquid or a vapor. In the turbine system in question may therefore be a gas, water or steam turbine plant having the rotary valve 1 described above and thus the rotary valve 1 underlying inventive advantages.
  • FIGS. 3 and 5 the force effect of the medium flowing through the rotary valve 1 is indicated by a thick arrow.
  • the force effect generated by the pressure force of the medium on the rotary valve 1 is divided into partial forces axially and radially to the central axis 4.
  • the partial forces are indicated in FIGS. 3 and 5 by thinner arrows.
  • the resulting force on the rotary valve 1 takes place according to the embodiment shown perpendicular to the mantle surface. Because of the division of force, an inflowing the rotary valve 1 medium, for example, with closed rotary valve 1 generate a higher pressure because a part of the force generated by the higher pressure on the rotary slide 1 is radially collected from the housing of the rotary valve 1 radially to the central axis 4 out.
  • the conical shape thus allows greater pressure loads or force shots by cheaper power line.

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Abstract

Es wird ein Drehschieber (1) und eine Turbinenanlage mit einem solchen Drehschieber (1) vorgeschlagen, wobei durch den Drehschieber (1) bezüglich eines den Drehschieber (1) durchströmenden Mediums Parameter nach oben erweitert, Strömungsquerschnitte optimiert und Strömungsverluste minimiert sind. Der Drehschieber (1) weist einen Drehring (2) und einen Festring (3) auf, die in Ausdehnungsrichtung einer Zentralachse (4) des Drehschiebers (1) stumpf kegelförmig mit einem jeweils zugehörigen Kegelmantel (7; 8) ausgebildet sind und jeweils Durchgangsöffnungen (5; 6) auf dem jeweils zugehörigen Kegelmantel (7; 8) angeordnet haben.

Description

Beschreibung
Drehschieber und Turbinenanlage mit einem solchen Drehschieber
Die Erfindung betrifft einen Drehschieber gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiter eine Turbinenanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3. Bisherige, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgebildet Drehschieber sind dadurch gekennzeichnet, dass die scheibenartige Ausbildung des Drehrings und des Festrings eine flache, scheibenförmige Ausbildung ist mit Zylinderkreisflächen, in denen die Durchgangsöffnungen für das Medium angeordnet sind, das durch die Durchgangsöffnungen der Zylinderkreisflächen den Drehschieber durchströmt. Dabei sind die Zylinderkreisflächen des Drehrings und des Festrings senkrecht zur gemeinsamen Zentralachse des Drehrings und des Festrings ausgerichtet .
Bisherige, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 3 ausgebildete Turbinenanlagen verwenden einen derartigen, wie oben beschriebenen Drehschieber, wobei der Drehschieber hierbei an einer der Turbinenanlage zugehörigen Turbinenwelle angeordnet und bei irgendwie offenen Durchgangsöffnungen des Drehschiebers von einem die Turbinenanlage antreibenden Medium durchströmt ist.
Auf Grund eines bei der Durchströmung des Drehschiebers ent- stehenden Druckunterschiedes vor und nach dem Drehschieber und der dadurch resultierenden Beanspruchung der flachen, scheibenförmigen Ringe des Drehschiebers selbst und der resultierenden, auf den Drehschieber wirkenden Anpresskräfte ist der maximal zulässige Druckunterschied begrenzt. Die ma- ximale Durchströmfläche ist ebenfalls auf eine geringe Ausgangsfläche begrenzt, da ein flacher, scheibenförmiger Kreisquerschnitt eine kleinstmögliche Querschnittsfläche eines Zylinders darstellt. Es gibt auch Drehschieber, die als gleichartig scheibenartig ausgebildete, aneinander anliegende Ringe quasi ineinander gesteckte Zylinder haben, wobei die Durchgangsöffnungen je- weils radial an den jeweiligen Zylindermantelflächen der Zylinder angeordnet sind. Bei dieser Bauart sind zwar größere Druckparameter möglich. Die komplizierte Durchgangsführung für ein durchströmendes Medium führt aber zu relativ hohen Strömungsverlusten und zu einer aufwendigen und damit teuren Konstruktion.
Da Drehschieber im Vergleich zu anderen Regelorganen kostengünstig sind, aber nur bei niedrig bezifferten Parametern einsetzbar sind, besteht ein großes Interesse, die Parameter- werte nach oben zu erweitern, Strömungsquerschnitte zu optimieren und Strömungsverluste zu minimieren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Drehschieber und eine Turbinenanlage mit einem Drehschieber aus- gehend von einem Drehschieber und einer Turbinenanlage jeweils der eingangs genannten Art in der Weise technisch zu verbessern, dass Parameterwerte nach oben erweitert, Strömungsquerschnitte optimiert und Strömungsverluste minimiert sind.
Bezüglich des Drehschiebers wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch einen Drehschieber gelöst, der die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale aufweist. Bezüglich der Turbinenanlage wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Turbinenanlage gelöst, die das im Kennzeichen des Anspruchs 3 angegebene Merkmal aufweist.
Danach weist der Drehschieber einen Drehring und einen Fest- ring auf, die in Ausdehnungsrichtung der Zentralachse stumpf kegelförmig mit einem jeweils zugehörigen Kegelmantel ausgebildet sind und jeweilig zugehörige Durchgangsöffnungen auf dem jeweilig zugehörigen Kegelmantel angeordnet haben. Bezug- lieh der Turbinenanlage weist danach die Turbinenanlage einen solchen Drehschieber für den dort verwendeten Drehschieber auf . Mit diesen Maßnahmen werden höhere Druckparameterwerte, größere Durchströmflächen bei gleichem Außendurchmesser der Ringe des Drehschiebers und geringere Strömungsverluste für das den Drehschieber durchströmende Medium erzielt. Der für das durchströmende Medium maximal mögliche Durchströmungsquerschnitt ist vergrößert, da eine Kegelmantelfläche bekanntermaßen eine größere Manteloberfläche hat als eine dazugehörige, in axialer Richtung projizierte Kreisfläche ist. Somit werden auch die Durchströmverluste verringert.
Die Kegelform lässt durch günstigere Kraftleitung auch größere Druckbelastungen bzw. Kraftaufnahmen zu. Technisch ergibt sich ein größeres Flächenträgheitsmoment. Dadurch, dass ein Teil der durch den Druck erzeugten Kräfte durch die schrägen Manteloberflächen radial wirkt und im Kegelring einen in sich geschlossenen Kraftkreis bildet, sind die Anpresskräfte der Ringe untereinander geringer als bei flachen bzw. quasi flachen Drehschiebern mit einer vergleich- baren Durchströmfläche. Daraus ergeben sich positive Effekte wie zum Beispiel die Verringerung der Stellkraft und des Verschleißes des Drehschiebers.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Danach ist die Zentralachse des Drehschiebers von einer Turbinenwelle gebildet, für die der Drehschieber als ein Steuerelement zu verwenden ist.
Dadurch, dass das den Drehschieber durchströmende Medium ein Gas, eine Flüssigkeit oder ein Dampf sein kann, kann eine betreffende Turbinenanlage eine gas-, flüssigkeits- oder dampfbetriebene Turbinenanlage sein.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Figur 1 eine Schrägansicht eines erfindungsgemäßen Drehschiebers in dreidimensionaler Darstellung,
Figur 2 eine Draufsicht auf einen Drehschieber nach Figur
1,
Figur 3 eine erste Seitenansicht des Drehschiebers nach Figur 2 in einer Schnittdarstellung entlang eines in der Figur 2 angegebenen Schnittes A-A,
Figur 4 eine zweite Seitenansicht des Drehschiebers nach
Figur 2 in einer teilweisen Schnittdarstellung entlang eines in der Figur 2 angegebenen Schnitts B-B, und
Figur 5 eine Schrägansicht des Drehschiebers nach Figur 3 in geschlossener Stellung in einer teilweisen
Schnittdarstellung.
Die Figuren 1 bis 5 werden gleichzeitig beschrieben, wobei jeweils gleiche Teile mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind.
In den Figuren 1 bis 5 ist eine prinzipielle Lösung für einen erfindungsgemäßen Drehschieber 1 gezeigt. Auf eine Darstellung einer Teilungsebene und von dazugehörigen Flanschen wurde in den Figuren verzichtet. Ebenso ist ein Rotor bezie- hungsweise eine Turbinenwelle einer Turbinenanlage mit dem erfindungsgemäßen Drehschieber 1 nicht näher dargestellt.
In den Figuren ist für den erfindungsgemäßen Drehschieber 1 eine Kegelform entgegen einer Strömungsrichtung eines durch den Drehschieber 1 strömenden Mediums, beispielsweise Dampf, dargestellt. Eine alternative Gestaltung der Kegelform des Drehschiebers 1 in Strömungsrichtung des durch den Drehschieber 1 strömenden Mediums ist ebenfalls möglich. Der Drehschieber 1 weist einen Drehring 2 und einen Festring 3 auf. Der Drehring 2 und der Festring 3 sind beide, ganz allgemein gesprochen, das heißt, im weitesten Sinn, gleichar- tig als stumpfe Kegel ausgebildet. Sie sind weiter aneinander anliegend angeordnet. Die Achse der kegelförmigen Ausbildung Ausbildung des Drehrings 2 und des Festrings 3 ist, von der Gesamtausrichtung her gesehen, jeweils koinzident zu einer gemeinsamen Zentralachse 4 ausgerichtet. Die Zentralachse 4 ist für den Drehring 2 gleichzeitig eine Drehachse, um die herum der Drehring 2 gegenüber dem Festring 3 verdrehbar ist.
Der Drehring 2 weist Durchgangsöffnungen 5 und der Festring 3 weist Durchgangsöffnungen 6 auf, von denen in den Figuren je- weils nur jeweils eine mit einem Bezugszeichen versehen ist.
Die Durchgangsöffnungen 5, 6 des Drehrings 2 und des Festrings 3 sind bei einer vorgegebenen Stellung des Drehrings 2 gegenüber dem Festring 3 Ring übergreifend paarweise einander gegenüberliegend angeordnet, und zwar so, dass sich bei einem jeweiligen Paar von Durchgangsöffnungen 5, 6 sich jeweils eine maximal große Gesamtdurchgangsöffnung für den Drehschieber 1 ergibt. Von dieser vorgegebenen Stellung aus ergibt sich abhängig von einer jeweiligen anderen Stellung des Drehrings 2 gegenüber dem Festring 3 eine kleinere Gesamtdurchgangsöffnung, und zwar bis hin zu einer völlig geschlossenen Gesamtdurchgangsöffnung .
Durch kontinuierliches Verdrehen des Drehrings 2 gegenüber dem Festring 3 ist eine kontinuierliche Größenverstellung bezüglich der Größe der Gesamtdurchgangsöffnung des Drehschiebers 1 bewerkstelligbar. Dabei sind der Drehring 2 und der Festring 3 in Ausdehnungsrichtung der Zentralachse 4 stumpf kegelförmig mit einem jeweiligen zugehörigen Kegelmantel 7, 8 (Figuren 1, 2) ausgebildet. Die Durchgangsöffnungen 5, 6 des Drehrings 2 und des Festrings 3 sind jeweilig auf dem jeweiligen zugehörigen Kegelmantel 7, 8 angeordnet (Figuren 1, 2). Die Zentralachse 4 kann beispielsweise von einer Turbinenwelle einer Turbinenanlage gebildet sein, an der der Drehschieber 1 angeordnet ist. In den Figuren sind eine solche Turbinenwelle und auch eine dementsprechend betreffende Turbinenanlage nicht näher dargestellt.
Bei einer Turbinenanlage, die einen oben besprochenen Dreh- Schieber 1 angeordnet an einer zugehörigen Turbinenwelle hat, wird der Drehschieber 1 bei irgendwie offenen Durchgangsöffnungen 5, 6 von einem die Turbinenanlage antreibenden Medium durchströmt. Die Durchströmmenge des durchströmenden Mediums pro einer vorgegebenen Zeiteinheit kann dabei durch eine ent- sprechende Stellung des Drehrings 2 gegenüber dem Festring 3 in einer vorgegebenen Weise eingestellt werden, wodurch weiter die Antriebskraft der Turbinenanlage in einer vorgegebenen Weise eingestellt ist. Bei dem den Drehschieber 1 durchströmenden Medium kann es sich um ein Gas, um eine Flüssigkeit oder um einen Dampf handeln. Bei der betreffenden Turbinenanlage kann es sich daher um eine Gas-, Wasser- oder Dampfturbinenanlage handeln, die den oben beschriebenen Drehschieber 1 aufweist und damit die dem Drehschieber 1 zugrunde liegenden erfindungsgemäßen Vorteile .
An Stelle des Wassers sind auch andere Flüssigkeiten denkbar, die als durchströmendes Medium verwendet sind.
In den Figuren 3 und 5 ist die Kraftwirkung des den Drehschieber 1 durchströmenden Mediums durch einen dicken Pfeil kenntlich gemacht. Die durch die Druckkraft des Mediums auf den Drehschieber 1 erzeugte Kraftwirkung teilt sich in Teilkräfte axial und radial zur Zentralachse 4 auf. Die Teilkräfte sind in den Figuren 3 und 5 durch dünnere Pfeile kenntlich gemacht.
Die resultierende Krafteinwirkung auf den Drehschieber 1 er- folgt gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel senkrecht zur Manteloberfläche. Wegen der Kraftaufteilung kann ein den Drehschieber 1 anströmendes Medium beispielsweise bei geschlossenem Drehschieber 1 einen höheren Druck erzeugen, weil ein Teil der durch den höheren Druck erzeugten Kraft am Dreh- Schieber 1 radial zur Zentralachse 4 hin kreisringförmig vom Gehäuse des Drehschiebers 1 aufgefangen wird. Die Kegelform lässt somit durch günstigere Kraftleitung größere Druckbelastungen bzw. Kraftaufnahmen zu. Dadurch, dass ein Teil der durch Druck erzeugten Kräfte durch die schrägen Mantelober- flächen radial wirkt und im Kegelring einen in sich geschlossenen Kraftkreis bildet, sind die Anpresskräfte der Ringe untereinander geringer als bei ganz flach ausgebildeten Drehschiebern mit einer vergleichbaren Durchströmfläche. In der Figur 4 sind durch Pfeile effektive Größen von Durchgangsöffnungen kenntlich gemacht und zwar einmal für den erfindungsgemäßen Drehschieber 1 mit einer zur Ausdehnungsrichtung der Zentralachse 4 schrägen Durchgangsöffnung und einer Durchgangsöffnung, die sich ergibt, wenn die vom erfindungs- gemäßen Drehschieber 1 vorgegebene Durchgangsöffnung in eine Senkrechte zur Ausdehnungsrichtung der Zentralachse 4 projiziert wird. Durch die Schräganordnung der Durchgangsöffnung kann eine größere Durchgangsöffnung genutzt werden als bei einer senkrechten Anordnung, jeweils bezogen auf die Ausdeh- nungsrichtung der Zentralachse 4.

Claims

Patentansprüche
1. Drehschieber mit einem Drehring und einem Festring, die beide gleichartig scheibenartig ausgebildet, aneinander an- liegend angeordnet und mit den scheibenartigen Ausbildungen senkrecht zu einer gemeinsamen Zentralachse, die für den Drehring gleichzeitig Drehachse ist, ausgerichtet sind und jeweils Durchgangsöffnungen aufweisen, die bei einer vorgegebenen Stellung des Drehrings gegenüber dem Festring ringüber- greifend paarweise einander gegenüberliegend angeordnet sind unter Bildung einer jeweiligen maximal großen Gesamtdurchgangsöffnung, die abhängig von einer anderen Stellung des Drehrings als die besagte vorgegebene Stellung bis hin zu einer geschlossenen Gesamtdurchgangsöffnung kontinuierlich ver- kleinert ist, dadurch gekennzeichnet , dass der Drehring (2) und der Festring (3) in Ausdehnungsrichtung der Zentralachse (4) stumpf kegelförmig mit einem jeweils zugehörigen Kegelmantel (7; 8) ausgebildet und die jeweiligen
Durchgangsöffnungen (5; 6) des Drehrings ((2) und des Fest- rings (3) jeweils auf dem Kegelmantel (7; 8) des Drehrings (2) und des Festrings (3) angeordnet sind.
2. Drehschieber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Zentralachse (4) von einer Turbinen- welle gebildet ist.
3. Turbinenanlage mit einem an einer zugehörigen Turbinenwelle angeordneten Drehschieber, der bei offenen Durchgangsöffnungen des Drehschiebers von einem die Turbinenanlage antrei- benden Medium durchströmt ist, dadurch gekennzeichnet , dass der Drehschieber (1) nach Anspruch 1 ausgebildet ist.
4. Turbinenanlage nach Anspruch 3, dadurch gekenn- zeichnet , dass das den Drehschieber (1) durchströmende
Medium ein Gas, eine Flüssigkeit oder ein Dampf ist.
5. Turbinenanlage nach Anspruch 3 oder 4, da du r c h g e ke n n z e i c h n e t , dass das den Drehschieber (1) durch¬ strömende Medium Wasserdampf ist.
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