[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mehrgehäusedampfturbosatz mit einer Hochdruckteilturbine,
einer Mitteldruckteilturbine und mindestens einer Niederdruckteilturbine, welche Niederdruckteilturbinen
zweigehäusig mit je einem Aussengehäuse und einem innerhalb desselben und gegenüber
diesem verschieblich gelagerten Innengehäuse ausgeführt sind, wobei die Läufer aller
Teilturbinen auf einem gemeinsamen Wellenstrang sitzen, der an einem zwischen der
Mitteldruckteilturbine und der Hochdruckteilturbine angeordneten Axiallager axial
nach beiden Richtungen fixiert ist, sowie mit Elementen zum Ausgleich der durch die
Wärmedehnungen im Betrieb auftretenden axialen Verschiebungen der Läufer gegenüber
deren Innengehäusen
Technisches Gebiet
[0002] Bei Mehrgehäuseturbinen, die neben einer Hochdruckteilturbine eine Mitteldruckteilturbine
und mindestens noch eine Niederdruckteilturbine aufweisen, sind Massnahmen vorzusehen,
die dafür sorgen, dass die mindesterforderlichen Axialspiele zwischen einander benachbarten
Lauf- und Leitschaufelkränzen im Betrieb aufrechterhalten bleiben. Bei solchen Turbinen,
deren Teilturbinen als Zweigehäuseturbinen mit einem Innen- und einem Aussengehäuse
ausgeführt sind, bestehen solche Massnahmen gewöhnlich aus Verbindungsgliedern zwischen
dem Innengehäuse der Mitteldruckturbine und dem Innengehäuse der anschliessenden
Niederdruckturbine sowie zwischen deren Innengehäuse und dem Innengehäuse einer eventuellen
weiteren Niederdruckturbine und so fort, falls noch mehr Niederdruckteilturbinen vorhanden
sein sollten. Dabei ist etwa eine Lagerstelle zwischen der Hochdruckteilturbine, im
folgenden kurz "Hochdruckteil" genannt, und der Mitteldruckteilturbine, im folgenden
als "Mitteldruckteil" bezeichnet, als Fixpunkt ausgebildet, von dem ausgehend der
Hochdruckteil und der Mitteldruckteil mit den anschliessenden Niederdruckteilen sich
in entgegengesetzten Richtungen ungehindert ausdehnen können.
Stand der Technik
[0003] Eine Mehrgehäuseturbine mit einer solchen Konseption für die Kompensation der Axialspieländerungen
infolge der Wärmedehnungen ist in der DE-PS 1 216 322 von Rateau beschrieben. Dabei
überträgt ein eingehäusiger Mitteldruckteil, der die Verschiebung durch die Wärmedehnungen
gemeinsam mit seinem Turbinenläufer mitmacht, diese über Kuppelstangen, die sich
in das Aussengehäuse des zweigehäusig ausgeführten Niederdruckteiles hinein erstrecken,
auf Innengehäuse, an dem sie angelenkt sind. Die Welle mit dem Turbinenläufer verschiebt
sich wegen der im wesentlichen gleichen Temperatur wie jene des Innengehäuses um
dieselbe Strecke wie dieses mit seiner Beschaufelung, so dass die Axialspiele zwischen
den Leit- und den Laufschaufelkränzen in praktisch gleicher Grösse wie im kalten
Zustand erhalten bleiben. Der Fixpunkt der Welle, von dem aus sich einerseits der
Mitteldruckteil mit den daran angekoppelten Innengehäusen der Niederdruckteile und
andererseits in der entgegengesetzten Richtung der Hochdruckteil frei ausdehnen und
verschieben können, befindet sich an einer Lagerstelle zwischen letzterem und dem
Mitteldruckteil.
[0004] Problematisch sind bei dieser Ausführung die Abdichtungen an den Durchführungsstellen
der Kuppelstangen an den Aussengehäusen der Niederdruckteile. Im erwähnten Patent
werden hierfür Wellrohre oder Faltenbälge oder Stopfbüchsen oder dergleichen vorgeschlagen,
die jedoch allesamt eine mögliche Fehlerquelle darstellen.
[0005] Die vorliegende Erfindung entstand aus der Aufgabe, die genannten Dichtungsprobleme
bei einer Mehrgehäusedampfturbine zu vermeiden und die Einrichtung zur Erhaltung der
Axialspiele zwischen den Leit- und den Laufschaufelkränzen der Niederdruckteile möglichst
einfach, unkompliziert und betriebssicher zu gestalten.
Definition der Erfindung
[0006] Der erfindungsgemässe Mehrgehäusedampfturbosatz ist dadurch gekennzeichnet,dass zur
Aufrechterhaltung der Axialspiele zwischen den Leitbeschaufelungen und den Laufbeschaufelungen
der Teilturbinen bei Betriebstemperatur beidseitig der Innengehäuse je ein Hebelpaar
vorgesehen ist, mit einem zweiarmigen Schiebehebel und einem an diesen über eine Achse
angelenkten einarmigen Dehnungshebel, wobei das andere Ende des Schiebehebels an
einem aussengehäusefesten Lagerbock und das andere Ende des Dehnungshebels an einem
innengehäusefesten Lagerzapfen angelenkt ist, und dass der Schiebehebel zwischen
seinen Anlenkpunkten am Lagerbock und am Dehnungshebel mit einem Langloch in einen
innengehäusefesten Lagerzapfen eingreift, dessen Achse den Schiebehebel in seine Hebelarme
unterteilt, wobei eine im Betrieb durch die Wärmedehnung verursachte Verlängerung
Δl des Abstandes zwischen den beiden innengehäusefesten Lagerzapfen über den Dehnungshebel
und über den Schiebehebel eine Verschiebung Δx des Innengehäuses gegenüber den aussengehäusefesten
Lagerböcken erzeugt.
Beschreibung der Figuren
[0007] Anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren wird die Erfindung im folgenden
näher beschrieben. In der Zeichnung stellen schematisiert dar:
Fig.1 einen axialen Längsschnitt einer Mitteldruck- und zweier Niederdruckteilturbinen
einer Dampfkraftanlage, die
Fig. 2 und 3 einen Querschnitt bzw. einen Längsschnitt durch die beiden Niederdruckteilturbinen
nach Fig .1 entsprechend den Schnittverläufen III-III und II-II, und die
Fig. 4 bis 6 erläuternde Skizzen zu den kniematischen Beziehungen zwischen den Elementen
der Vorstelleinrichtung für das Innengehäuse.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
[0008] Die Fig.1 zeigt eine Mitteldruckteilturbine 1, deren links davon befindliche, nicht
dargestellte Hochdruckteilturbine sowie zwei oder gegebenenfalls mehrere Niedruckturbinen
2 und 3 ihre Leistung über einen gemeinsamen Wellenstrang 4 an einen nicht dargestellten,
am rechten Ende des Wellenstranges angekuppelten elektrischen Generator abzugeben.
Der Wellenstrang 4 ist in einem zwischen dem Hochdruckteil und dem Mitteldruckteil
1 befindlichen Lagergehäuse 5 durch ein doppelseitiges Axiallager 6 nach beiden Richtungen
hin fixiert. Von diesem Fixpunkt aus kann sich der nicht dargestellte Hochdruckteil
nach links unbehindert ausdehnen, da sich sein Gehäuse auf bekannte Weise über Auflagerpratzen
auf Gleitbahnen verschieblich abstützt, wobei das Kippen um die Wellenachse infolge
des Reaktionsmoments durch eine Abstützung verhindert wird, die eine axiale Halterung
des Mittelgehäuses bildet. Die Figur zeigt eine solche Abstützung 7 für das Gehäuse
8 des Mitteldruckteils 1. Das Gehäuse 8 und das Lagergehäuse 5 sind axial fest miteinander
verbunden.
[0009] Die Aussengehäuse 9 und 10 der Niederdruckteile 2 bzw. 3 sind auf der Grundplatte
befestigt und ihre Innengehäuse 11 bzw. 12 im betreffenden Aussengehäuse diesem gegenüber
ebenfalls auf bekannte Weise axialverschieblich und gegen Kippen gesichert gelagert.
Die Dampfauslassleitung an der Mitteldruckteilturbine 1 ist mit 13 und die beiden
Dampfzuleitungen zu den Niederdruckturbinen 2 und 3 sind mit 14 und 15 bezeichnet.
[0010] Die erfindungsgemässe Vereinfachung gegenüber dem eingangs genannten Stand der Technik
besteht darin, dass anstelle von Kuppelstangen oder sonstigen starren Übertragungsgliedern
zwischen den einzelnen Teilturbinen ein Hebelsystem verwendet wird, das im Betriebszustand
der Turbine die Verschiebungen der Innengehäuse bewerkstelligt, welche zum Ausgleich
der Verschiebungen der auf dem Wellenstrang sitzenden Rotoren und damit zur Aufrechterhaltung
der Axialspiele zwischen den Leit- und den Laufbeschaufelungen der Teilturbinen erforderlich
sind.
[0011] Zu diesem Hebelsystem gehören in jeder Teilturbine je ein Hebelpaar beidseits des
jeweiligen Innengehäuses, dessen einer Anlenkpunkt sich ortsfest am Aussengehäuse
befindet, während zwei weitere Anlenkpunkte für jedes Hebelpaar seitlich an den Gehäuseunterteilen
der verschiebbaren Innengehäuse vorgesehen sind.
[0012] Die Vorteile dieser Konzeption bestehen, wie aus der folgenden genannten Beschreibung
noch deutlich wird, gegenüber den eingangs beschriebenen bekannten Bauarten vor allem
darin, dass die Verschiebung jedes einzelnen Innengehäuses individuell, unabhängig
von den benachbarten, erfolgt. Sodann geschieht diese Verschiebung selbsttätig in
Abhängigkeit von der in der betreffenden Teilturbine herrschenden Temperatur. Ferner
fallen die oben beschriebenen Dichtprobleme der bekannten Bauarten weg, da zwischen
den die Verschiebung bewirkenden Elementen der einzelnen Teilturbinen keine körperlichen
Verbindungen bestehen und die erwähnten Dichteinrichtungen sich daher erübrigen.
[0013] Das Hebelsystem wird nun anhand der Fig. 1 - 3 näher beschrieben. Der in Fig.1 dargestellte
vertikale Axialschnitt zeigt drei Teilturbinen eines Dampfturbogeneratorsatzes, nämlich
die Mitteldruckteilturbine 1, an die sich links davon eine nicht dargestellte Hochdruckteilturbine
anschliesst, sowie die zwei Niederdruckteilturbinen 2 und 3, an die sich rechts davon
in der Regel ein nicht gezeigter elektrischer Generator anschliesst. In Fig.1 sind
die das Hebelsystem für die temperaturabhängige Verschiebung bildenden Hebelpaare
18 der Einfachheit halber nur in den beiden Niederdruckteilen 2 und 3 eingezeichnet.
Prinzipiell in gleicher Weise sind sie auch für alle anderen vorhandenen Teilturbinen
eines mehrgehäusigen Dampfturbogeneratorsatzes anwendbar.
[0014] In Fig.1 sind die mit 18 bzw. 19 bezeichneten Hebelpaare in ihrer Stellung bei kalter
Anlage, im Stillstand, gezeigt. Von den je zwei für jeden Niederdruckteil vorgesehenen
Hebelpaaren 18, 19 sind in der Darstellung nach Fig.1 nur die jeweils hinteren, zum
grössten Teil verdeckt vorhanden und daher entsprechend strichliert gezeichnet. Ihre
Anordnungen gehen aus den Fig.2 und 3, die gegenüber Fig.1 noch weiter vereinfacht
sind, klarer hervor.
[0015] Die Fig.2 entspricht dem in Fig.3 eingezeichneten Schnittverlauf II-II. Man erkennt
aus ihr die räumliche Anordnung des Hebelpaares 18 aus Fig. 3. Die gleiche Anordnung
gilt auch für das Hebelpaar 19, das sich aber vom Paar 18 durch die Hebelabmessungen
unterscheidet entsprechend dem gegenüber dem Innengehäuse 11 erforderlichen Verschiebungsweg
des Innengehäuses 12. Die Hebelpaare 18 bestehen aus je einem langen, an seinem einen
Ende in einem aussengehäuse- oder fundamentfesten Lagerbock 21 schwenkbar gelagerten,
zweiarmigen Hebel 20, im folgenden Schiebehebel genannt, mit den Hebelarmen a und
b, und einem kürzeren, einarmigen Hebel 22, im folgenden Dehnungshebel genannt. Dieser
ist mit seinem einen Ende auf einem innengehäusefesten Lagerzapfen 23 in Höhe der
Wellenachse gelagert. Die beiden anderen Enden der zwei Hebel 20 und 22 sind durch
eine Achse 24 gegeneinander schwenkbar miteinander verbunden. Der Schiebehebel 20
weist ferner in Höhe der Wellenachse aus kinematischen Gründen ein Langloch 25 auf,
in dem ein weiterer, in Höhe der Wellenachse vorgesehener innengehäusefester Lagerzapfen
26 eingreift. Praktisch wird im Langloch 25 natürlich ein Gleitstein vorgesehen sein,
der einen solchen Zapfen 26 aufnimmt.
[0016] Die Längen x₁ und x₂ sind die Abstände der fundamentfesten Lagerböcke 21 und 28
der Schiebehebel 20 bzw. 27 von der Stelle A als Ausgangspunkt für die axialen Verschiebungen
der auf der Welle 4 sitzenden Turbinenläufer. Aus den für die warme Turbine erforderlichen
Verschiebungen Δx₁ und Δx₂ der Innengehäuse 11 bzw. 12, wobei Δx₂ > Δx₁, aus ihren
Ausgangsstellungen bei kalter Anlage und gegebenem Abstand 1 der beiden innengehäusefesten
Lagerzapfen 23 und 26 lassen sich die Hebelarme a₁, b₁ bzw. a₂, b₂ der Schiebehebel
20 des Hebelpaares 18 bzw. 27 des Hebelpaares 19 bestimmen. Der Abstand 1 zwischen
den Lagerzapfen 23 und 26 am Innengehäuse sollte dabei so gross sein wie es die Länge
des Innengehäuses gestattet. Frei wählbar ist dabei, etwa im Rahmen der Länge des
Innengehäuses, die Länge d des Dehnungshebels. In Fig .3 ist der Dehnungshebel 22
des Hebelpaares 18 länger als jener, 29, des Hebelpaares 19, das eine grössere Verschiebung
des ihm zugeordneten Hebelpaares zu bewältigen hat.
[0017] Aus Fig.4 geht der Zusammenhang zwischen der Wärmedehnung Δl eines Innengehäuses
zwischen seinen beiden Anlenkpunkten des Dehnungshebels und des Schiebehebels und
der zur Einhaltung der vorgeschriebenen Axialspiele zwischen den Beschaufelungen erforderlichen
Verschiebung Δx hervor. Dabei kann die Ver schiebung des Gelenks 11 bzw. 24, das
den oberen Arm a des Schiebehebels mit dem Dehnungshebel verbindet und in Fig.4 mit
≈Δl bezeichnet ist, wegen des im allgemeinen kleinen Winkels α zwischen dem Dehnungshebel
22 bzw. 29 und der Horizontalen als gleich Δl angenommen werden. Die Änderung Δα von
α, siehe die Fi.5 und 6, kann wegen ihres geringfügigen Einflusses auf die Schwenkung
des Schiebehebels ebenfalls vernachlässigt werden. Mit diesen Annahmen gilt für ΔX
= f( l,a,b) aus der Proportionalität der Hebelarme a, b und der von ihren Endpunkten
beim Schwenken um den Winkel σ beschriebenen Kreisbögen: ΔX/Δl ≈ b/a und daraus ΔX
≈ (b/a)Δl.
[0018] Für ein konkretes Beispiel mit 1 = 25000 mm, a = 500 und b = 1000 mm sowie Δl = 10
mm ergibt sich eine Verschiebung des Innengehäuses um 20 mm. Der Winkel α ist dabei
≈ 11°. Durch entsprechende Wahl der Arme a und b des Schiebehebels lassen sich bei
Kenntnis der wärmedehnung Δl beliebige Verschiebungen Δx der Innengehäuse erhalten.
[0019] Die Fig.5 und 6 zeigen den Einfluss der Grösse des Winkels α, der von a und l abhängt,
auf den Schiebewinkel , um den der Schiebehebel bei Auftreten von Δl schwenkt. Je
kleiner α gewählt wird, um so grösser ist σ und, bei gegebenem b, die Verschiebung
Δx, um so grösser aber andererseits, bei gegebenem Verschiebewiderstand die davon
abhängige Behinderung der thermischen Dehnung Δl des Abstandes l der Anlenkpunkte
23 und 26 am Innengehäuse. Um die damit verbundenen Verspannungen zu vermeiden, sollte
der Winkel α, d.h., das Verhältnis a/l und auch a/b, nicht zu klein gewählt werden.
Überdies wird man zur Minimierung der Verstellkräfte an den Gleitflächen der Auflager
des Innengehäuses reibungsarme Zwischenlagen oder Beschichtungen vorsehen. Auch durch
Verwendung von Pendelstützen mit sehr geringen Höhenänderungen beim Pendeln lassen
sich die Verstellkräfte klein halten.
[0020] Das vorliegende Prinzip, eine Verschiebung gewünschter Grösse eines thermisch beanspruchten
Gehäuses gegenüber einem anderen Bauteil von der thermischen Längenänderung einer
Abmessung dieses Gehäuses selbst abzuleiten, ist auch auf andere Fälle anwendbar,
bei denen Wärmedehnungen andernfalls die Funktion einer Maschine beeinträchtigen oder
zunichte machen würden.
[0021] Eine andere, bei thermischen Maschinen mit hohen Arbeitstemperaturen aber wohl schwieriger
ausführbare Möglichkeit, dieses Prinzip anzuwenden, bieten miteinander kommunizierende
Hydraulikzylinder mit entsprechend dem Übersetzungsverhältnis Δl/Δx verschieden grossen
Kolbendurchmessern. Ein zwischen den Endpunkten der Referenzstrecke l eingespannter
Hydraulikzylinder leitet die Verschiebung Δl seines Kolbens hydrostatisch an einen
Hydraulikzylinder weiter, der den zu verschiebenden Bauteil gegenüber einem anderen
um Δx verschiebt.
[0022] Denkbar ist auch eine Kupplung zwischen Δl und Δx durch Benutzung elektrischer oder
magnetischer Grössen, deren Werte sich durch Δl ändern und zur Betätigung einer elektrischen
oder elektrohydraulischen Servoeinrichtung zur Erzeugung der Verschiebung Δx benutzt
werden.
Die Anlenkpunkte 23 und 26 am Innengehäuse für den Dehnungshebel und Drehpunkt des
Schiebehebels wird man normalerweise am Innengehäuseunterteil in einer horizontalen
Ebene vorsehen. Falls dies aus irgendwelchen Gründen nicht möglich ist oder unpraktisch
wäre, könnten diese Anlenkpunkte auch am Innengehäuseoberteil oder der eine unten
und der andere oben vorgesehen sein und daher auch in einer geneigten Ebene liegen.
Mehrgehäusedampfturbosatz, mit einer Hochdruckteilturbine, einer Mitteldruckteilturbine
(1) und mindestens einer Niederdruckteilturbine (2, 3), welche Niederdruckteilturbinen
zweigehäusig mit je einem Aussengehäuse (9, 10) und einem innerhalb desselben und
gegenüber diesem verschieblich gelagerten Innengehäuse (11, 12) ausgeführt sind, wobei
die Läufer (16, 17) aller Teilturbinen (1, 2, 3) auf einem gemeinsamen Wellenstrang
(4) sitzen, der an einem zwischen der Mitteldruckteilturbine (1) und der Hochdruckteilturbine
angeordneten Axiallager (6) axial nach beiden Richtungen fixiert ist, dadurch gekennzeichnet,
dass zur Aufrechterhaltung der Axialspiele zwischen den Leitbeschaufelungen und den
Laufbeschaufelungen der Teilturbinen (2, 3) bei Betriebstemperatur beidseitig der
Innengehäuse (11, 12) je ein Hebelpaar (18, 19) vorgesehen ist, mit einem zweiarmigen
Schiebehebel (20, 27) und einem an diesen über eine Achse (24) angelenkten einarmigen
Dehnungshebel (22, 29), wobei das andere Ende des Schiebehebels (20, 27) an einem
aussengehäusefesten Lagerbock (21, 28) und das andere Ende des Dehnungshebels (22,
29) an einem innengehäusefesten Lagerzapfen (23) angelenkt ist, und dass der Schiebehebel
(20, 27) zwischen seinen Anlenkpunkten am Lagerbock (21, 28) und am Dehnungshebel
(22) mit einem Langloch (25) in einem innengehäusefesten Lagerzapfen (26) eingreift,
dessen Achse den Schiebehebel in seine Hebelarme (a, b) unterteilt, wobei eine im
Betrieb durch die Wärmedehnung verursachte Verlängerung Δl des Abstandes (l) zwischen
den beiden innengehäusefesten Lagerzapfen (23, 26) über den Dehnungshebel (22, 29)
und über den Schiebehebel (20, 27) eine Verschiebung Δx des Innengehäuses (11, 12)
gegenüber den aussengehäusefesten Lagerböcken (21, 28) erzeugt.