[0001] Die Erfindung betrifft eine Dampfturbine mit einem Rotor, auf dem ein erstes Regelrad
und ein Reaktionsteil angeordnet sind gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches
1
[0002] In derartigen Industriedampfturbinen ist der maximal mögliche Volumenstrom unter
anderem durch die mechanische Festigkeit der Komponenten des Regelrads begrenzt. Der
für viele Anwendungen erforderliche Volumenstrom bei vorgegebener Drehzahl kann nur
bei maximalem Druckverhältnis über das Regelrad erzielt werden. Wenn das maximale
Druckverhältnis nicht erreicht wird, dann führt das zu Wirkungsgradverlusten im Regelrad
und damit zu einem erhöhten Dampfverbrauch, da das Regelrad nicht mehr im Wirkungsgradoptimum
betrieben werden kann. Wird stattdessen die Drehzahl reduziert, führt das entweder
zur Kostensteigerung, weil für die Dampfturbine wie auch die angetriebene Maschine,
zum Beispiel den Kompressor, mehr Stufen erforderlich werden und/oder ebenfalls zu
einem vergrößerten Dampfverbrauch, da die angetriebene Maschine, z. B. der Kompressor,
nicht mit optimaler Drehzahl betrieben werden kann.
[0003] Bei Gegendruckturbinen mit hohem Gegendruck von größer 40 bar und Turbinen mit Entnahmedruck
von größer 40 bar führen die oben aufgezeigten Schwierigkeiten hinsichtlich des erforderlichen
Volumenstromes zur eingeschränkten Baubarkeit von Anwendungen mit hoher Drehzahl und
gleichzeitig hoher Leistung und/oder Entnahmemenge, weil das Verhältnis der Drücke
am Dampfeintritt und Dampfaustritt bzw. der Entnahmestelle relativ klein ist und somit
große Strömungsquerschnitte, damit relativ große Laufschaufein im Regelrad erfordern.
Damit treten gleichzeitig hohe Fliehkräfte und hohe Dampfbiegespannungen im Regelrad
in solchen Anwendungen auf.
[0004] Bisher werden Industriedampfturbinen mit hohem Gegendruck von größer 40 bar und Turbinen
mit Entnahmedruck von größer 40 bar mit Innengehäuse und einem oder gar keinem Regelrad
ausgeführt. Der mögliche Volumenstrom bei gegebener Leistung ist wie erwähnt durch
die Festigkeit des Regelrades begrenzt. Die Maschinen werden an der Obergrenze für
den Volumenstrom bei gegebener Drehzahl betrieben, was zu einem erhöhten Dampfverbrauch
führt, wenn das maximale Druckverhältnis nicht erreicht wird oder bei verringerter
Drehzahl mit den erforderlichen zusätzlichen Stufen für Dampfturbine und angetriebene
Maschine für gesteigerte Anlagenkosten und/oder verringerte Energiewirkungsgrade sorgt.
Wird auf das Regelrad verzichtet, sind im Teillastbereich relativ mäßige Wirkungsgrade
zu erzielen.
[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Dampfturbine so zu gestalten,
dass der Volumenstrom bei gleichem Wirkungsgrad erhöht werden kann, ohne dass der
Dampfverbrauch oder die Anlagenkosten erhöht werden.
[0006] Die Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Dampfturbine durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind
Gegenstand der Unteransprüche.
[0007] Verglichen mit der bisherigen Lösung mit einem Regelrad kann durch den erfindungsgemäßen
Einsatz von zwei und mehr Regelrädern der zweifache oder mehrfache Volumenstrom bei
gleichem Wirkungsgrad durchgesetzt werden. Das ermöglicht den Antrieb von Arbeitsmaschinen
mit hoher Leistung bei hohen Drehzahlen und damit den Bau kompakter und dadurch kostengünstiger
Maschinen und/oder Wirkungsgradverbesserungen in den angetriebenen Maschinen. In den
meisten Fällen ist jedoch die Ausnutzung des Limits nicht erforderlich, und die Dampfturbine
kann mit optimal beaufschlagten Regelstufen und nachgeschalteten Stufen, auch bei
Turbinen mit hohem Gegendruck oder Entnahmedruck, mit einem deutlich geringeren Dampfverbrauch
betrieben werden.
[0008] Zwei besondere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- perspektivisch eine Dampfturbine mit einem Innengehäuse;
- Fig. 2
- den Schnitt II -II nach Fig. 1;
- Fig. 3
- den Schnitt III -III nach Fig. 1;
- Fig. 4
- perspektivisch eine Dampfturbine mit einem Innengehäuse gemäß einer anderen Ausführungsform;
- Fig. 5
- den Schnitt V -V nach Fig. 4 und
- Fig. 6
- den Schnitt VI -VI nach Fig. 4.
[0009] Die Dampfturbine weist ein Innengehäuse 1 und einen in dem Innengehäuse 1 rotierenden
Rotor 2 auf. Auf dem Rotor 2 ist ein Reaktionsteil mit mehreren mit Laufschaufeln
versehenen Laufrädern 4 angeordnet, die in einem durch das Gehäuse begrenzten Strömungsringkanal
5 umlaufen. Vor jedem Kranz von Laufrädern 4 ist ein Kranz von gehäusefesten Leiträdern
6 angeordnet. Auf dem Rotor 2 ist vor dem Reaktionsteil 3 ein erstes Regelrad 7 angeordnet,
das auf seinem Umfang mit Schaufeln versehen ist.
[0010] Das Innengehäuse 1 besteht aus einem Unterteil 1a und einem Oberteil 1b, die längs
einer horizontalen Trennfuge miteinander verbunden sind. Das Innengehäuse 1 ist mit
einem als Dampfzuführung dienenden Einströmteil 8 versehen, das mehrere Einströmbohrungen
9 aufweist, die mit nicht gezeigten mit Dampfventilen versehenen Zufuhrkanälen verbunden
sind.
[0011] Die Einströmbohrungen 9 sind innerhalb des Innengehäuses 1 mit einer Einströmsegmentierung
10 verbunden, die mit dem durch Düsen gebildeten Anströmquerschnitt 11 des ersten
Regelrades 7 in Verbindung stehen. Der Abströmquerschnitt des ersten Regelrades 7
steht seinerseits mit dem Anströmquerschnitt 12 des Strömungsringkanals 5 in Verbindung.
Der Anströmquerschnitt 12 des Strömungsringkanals 5 ist durch den ersten Kranz der
Leiträder 6 gebildet.
[0012] Zwischen dem ersten Regelrad 7 und dem Reaktionsteil 3 ist auf dem Rotor 2 ein zweites
gleichartiges Regelrad 13 angeordnet. Anstelle eines Regelrades können auch mehrere
Regelräder vorgesehen werden. Hinsichtlich der Strömung des Dampfes innerhalb des
Innengehäuses 1 sind die Regelräder 7, 13 parallel geschaltet. Dazu sind vier Strömungspfade
gebildet, die im Zusammenhang mit zwei in den Fig. 1 bis 3 und 4 bis 6 gezeigten Varianten
nachfolgend beschrieben werden:
- Der 1. Strömungspfad 14 verläuft von der Dampfzuführung oder dem Einströmteil 8 zu
dem Anströmquerschnitt 11 des ersten Regelrades 7;
- der 2. Strömungspfad 15 verläuft vom Abströmquerschnitt des ersten Regelrades 7 zum
Strömungsringkanal 5;
- der 3. Strömungspfad 16 verläuft von der Dampfzuführung oder dem Einströmteil 8 zu
dem Anströmquerschnitt 18 des zweiten Regelrades 13 und
- der 4. Strömungspfad 17 verläuft vom Abströmquerschnitt des zweiten Regelrades 13
zum Strömungsringkanal 5.
[0013] In beiden Varianten sind der 1. Strömungspfad 14 und der 3. Strömungspfad 16 zwischen
der Dampfzuführung oder dem Einströmteil 8 und den Anströmquerschnitten 12, 18 der
beiden Regelräder 7, 13 parallel geführt. Der 2. Strömungspfad 15 und der 4. Strömungspfad
17 vereinigen sich hinter den Abströmquerschnitten und münden gemeinsam in den Anströmquerschnitt
12 des Strömungsringkanals 5 ein.
[0014] Bei der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten ersten Variante ist der 2. Strömungspfad
15 aus dem Innengehäuse 1 herausgeführt, außen um das erste Regelrad 7 herumgeführt
und hinter dem ersten Regelrad 7 wieder in das Innengehäuse 1 hineingeführt, wo der
2. Strömungspfad sich mit dem 4. Strömungspfad 17 vereinigt und in den Anströmquerschnitt
12 des Strömungsringkanals 5 einmündet. Der 3. Strömungspfad 16 ist getrennt von dem
2. Strömungspfad 15 durch das Innengehäuse 1 geführt.
[0015] Gemäß den Fig. 1 bis 3 ist in der Einströmsegmentierung 10 ein radial innerer Ringkanal
19 und ein radial äußerer Ringkanal 20 gebildet, die zu dem Anströmquerschnitt 11,
18 oder den Düsen des ersten und des zweiten Regelrades 7, 13 führen und die den 1.
Strömungspfad 14 und den 3. Strömungspfad 16 darstellen. Hinter dem ersten Regelrad
7 sind mehrere gleichmäßig über den Umfang verteilte Überströmrohre 21 unter Durchdringung
des äußeren Ringkanals 20 abgedichtet aus dem Innengehäuse 1 herausgeführt. Die Überströmrohre
21 sind hinter dem zweiten Regelrad 13 wieder in das Innengehäuse 1 hineingeführt.
Der Gesamtquerschnitt der Überströmrohre 21 ist ausreichend groß bemessen, so dass
die Strömungsverluste gering bleiben. Die Überströmrohre 21 sind so angeordnet, dass
auch Strömungsverluste in der Anströmung der Düsen des zweiten Regelrades 13 klein
bleiben. Die Überströmrohre 21 sind auf der Hochdruckseite abzudichten, z. B. einzuschweißen,
und es sind geeignete Maßnahmen z. B. Bundsitze vorzusehen, um Leckagen zu minimieren.
Die Überströmrohre 21 müssen wärmeelastisch mit Spiel durch die Gusskontur des Innengehäuses
1 geführt werden.
[0016] Der Frischdampf wird durch den inneren Ringkanal 19 der Einströmsegmentierung 10
und die Düsen am Anströmquerschnitt 11 auf das erste Regelrad 7 geleitet und entspannt.
Nach dem Entspannen strömt der Dampf über die Überströmrohre 21 hinter das zweite
Regelrad 13. Die Frischdampfzuführung für das zweite Regelrad 13 erfolgt innerhalb
des äußeren Ringkanal 20 der Einströmsegmentierung 10 vorbei an den Überströmrohren
21 hin zu dem Anströmquerschnitt 18 des zweiten Regelrades 13. Nach der Entspannung
vereinigen sich die Dampfströme des ersten und des zweiten Regelrades 7, 13, strömen-durch
die nachgeschalteten Stufen des Reaktionsteiles 3 der Dampfturbine und entspannen
weiter. Bezogen auf die bisherige Lösung mit einem einzigen Regelrad wird durch die
erfindungsgemäße Lösung eine Gesamtbeaufschlagung der Regelstufe von 200% erreicht.
[0017] Bei der in den Fig. 4 bis 6 dargestellten zweiten Variante sind der Oberteil 1b und
der Unterteil 1a des Innengehäuses 1 strömungsmäßig voneinander getrennt. Der 2. Strömungspfad
15 ist durch den Unterteil 1a des Innengegehäuse 1 zu dem unteren Teil des Anströmquerschnittes
18 des zweiten Regelrades 13 und der 3. Strömungspfad 16 ist durch den Oberteil 1b
des Innengehäuses 1 zu dem oberen Teil des Anströmquerschnittes 18 des zweiten Regelrades
13 geführt.
[0018] Gemäß den Fig. 4 bis 6 ist wiederum in der Einströmsegmentierung 10 ein innerer Kanal
22 gebildet, der zu dem Anströmquerschnitt 11 oder den Düsen des ersten Regelrades
7 führt und der den 1. Strömungspfad 14 darstellt. Im Oberteil 1b des Innengehäuses
1 ist ein Kanal 23 von halbkreisförmigem Querschnitt angeordnet, der das erste Regelrad
7 überbrückt und zu dem oberen Teil des Anströmquerschnittes 18 des zweiten Regelrades
13 führt. Im Unterteil 1a des Innengehäuses 1 ist ein Zwischenraum 24 von halbkreisförmigem
Querschnitt zwischen dem Rotor 2 und der Innenwand des Innengehäuses 1 vorgesehen,
der zu dem unteren Teil des Anströmquerschnittes 18 des zweiten Regelrades 13 führt.
[0019] Wie bei der ersten Variante gelangt der Frischdampf durch den inneren Kanal 22 der
Einströmsegmentierung 10 zum Anströmquerschnitt 11 des ersten Regelrades 7. Der entspannte
Dampf wird im Oberteil 1b des Innengehäuses 1 gezwungen, den Rotor 2 tangential zu
umströmen, um so in den Unterteil 1a des Innengehäuses 1 zu gelangen. Der entspannte
Dampf des ersten Regelrades 7 strömt also ausschließlich im Unterteil 1a des Innengehäuses
1 und gelangt zum zweiten Regelrad 13, wobei hier keine Arbeit verrichtet wird. Das
zweite Regelrad 13 wird ausschließlich im Oberteil 1b des Innengehäuses 1 mit Frischdampf
beaufschlagt. Erst nachdem die Expansion am zweiten Regelrad 13 vollzogen ist, können
sich die Dampfströme vereinigen und in Richtung der nachgeschalteten Stufen des Reaktionsteiles
3 der Dampfturbine weiter entspannen.
[0020] Das erste Regelrad 7 ist voll beaufschlagt, während das zweite Regelrad 13 nur halbbeaufschlagt
ist. Daher geht man von einer Gesamtbeaufschlagung von ca. 150% aus, bezogen auf die
bisher existierende Lösung mit einem einzigen Regelrad. Der Vorteil dieser 2. Variante
gegenüber der ersten Variante ist, dass die besondere Umlenkung des Dampfes mittels
der Überströmrohre 21 entfällt. Jedoch wird dieser Vorteil zu Lasten einer um 50%
geringeren Beaufschlagung der Regelstufe erreicht.
1. Dampfturbine mit einem Rotor (2), auf dem ein mit Schaufeln versehenes erstes Regelrad
(7) und ein Reaktionsteil (3) mit einem oder mehreren mit Laufschaufeln versehenen
Laufrädern (4) angeordnet sind, und mit einem aus einem Oberteil (1b) und einem Unterteil
(1a) bestehenden Innengehäuse (1), das mit einer Dampfzuführung versehen ist, wobei
die Dampfzuführung über einen ersten Strömungspfad (14) mit dem Anströmquerschnitt
(11) des ersten Regelrades (7) verbunden ist und wobei der Abströmquerschnitt des
ersten Regelrades (7) über einen zweiten Strömungspfad (15) mit dem Anströmquerschnitt
(12) des Reaktionsteiles (3) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf dem Rotor (2) zwischen dem ersten Regelrad (7) und dem Reaktionsteil (3) mindestens
ein zweites mit Schaufeln versehenes Regelrad (13) angeordnet ist,
dass der Anströmquerschnitt (18) des zweiten Regelrades (13) über einen dritten Strömungspfad
(16) parallel zu dem zu dem ersten Regelrad (7) führenden ersten Strömungspfad (14)
mit der Dampfzuführung verbunden ist und
dass der Abströmquerschnitt des zweiten Regelrades (13) zusammen mit dem Abströmquerschnitt
des ersten Regelrad (7) über einen vierten Strömungspfad (17) mit dem Anströmquerschnitt
(12) des Reaktionsteiles (3) verbunden ist.
2. Dampfturbine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite, von dem Abströmquerschnitt des ersten Regelrades (7) zu dem Anströmquerschnitt
(12) des Reaktionsteiles (3) führende Strömungspfad (15) aus dem Innengehäuse (1)
herausgeführt und um das erste Regelrad (7) herum wieder in das Innengehäuse (1) hineingeführt
ist und dass der dritte, von der Dampfzuführung zu dem Anströmquerschnitt (18) des
zweiten Regelrades (13) führende Strömungspfad (16) getrennt von dem zweiten Strömungspfad
(15) durch den Oberteil (1b) und den Unterteil (1a) des Innengehäuses (1) geführt
ist.
3. Dampfturbine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite, von dem Abströmquerschnitt des ersten Regelrades (7) ausgehende Strömungspfad
(15) durch den Unterteil (1a) des Innengehäuses (1) zu dem unteren Teil des Anströmquerschnittes
(18) des zweiten Regelrades (13) geführt ist und dass der dritte, von der Dampfzuführung
zu dem Anströmquerschnitt (18) des zweiten Regelrades (13) führende Strömungspfad
(16) um das erste Regelrad (7) herum durch den Oberteil (1b) des Innengehäuses (1)
geführt ist.
4. Dampfturbine nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite von dem Abströmquerschnitt des ersten Regelrades (7) ausgehende Strömungspfad
(15) durch mehrere Überströmrohre (21) gebildet ist, die aus dem Oberteil (1b) und
Unterteil (1a) des Innengehäuses (1) herausgeführt sind und hinter dem zweiten Regelrad
(13) wieder in das Oberteil (1b) und Unterteil (1a) des Innengehäuses (1) hineingeführt
sind.
5. Dampfturbine nach Anspruch 1 und 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite, von den Abströmquerschnitt des ersten Regelrades (13) ausgehende Strömungspfad
(15) durch einen Zwischenraum (24) zwischen dem Rotor (2) und der Wand des Unterteils
(1a) des Innengehäuses (1) gebildet ist und dass der dritte von der Dampfzuführung
zu dem Anströmquerschnitt (18) des zweiten Regelrades (13) führende Strömungspfad
(16) durch einen Kanal (23) gebildet ist, der im Oberteil (1b) des Innengehäuses (1)
unter Überbrückung des ersten Regelrades (7) angeordnet ist.
6. Dampfturbine nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der dritte Strömungspfad (16) durch den Kanal (23) mit einem halbringförmigen Querschnitt
ausgebildet ist.