(19)
(11) EP 0 374 645 A1

(12) EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG

(43) Veröffentlichungstag:
27.06.1990  Patentblatt  1990/26

(21) Anmeldenummer: 89122742.3

(22) Anmeldetag:  09.12.1989
(51) Internationale Patentklassifikation (IPC)5F01D 25/28, F01D 25/26
(84) Benannte Vertragsstaaten:
CH DE FR GB IT LI NL

(30) Priorität: 23.12.1988 CH 4780/88

(71) Anmelder: ASEA BROWN BOVERI AG
CH-5401 Baden (CH)

(72) Erfinder:
  • Meylan, Pierre
    CH-5432 Neuenhof (CH)


(56) Entgegenhaltungen: : 
   
       


    (54) Mehrgehäusedampfturbosatz


    (57) Um die im Betrieb auftretenden axialen Verschiebungen der Rotoren von Dampfturbinen durch gleichzeitiges Verschieben des Innengehäuses (11, 12) auszugleichen und dadurch das axiale Spiel zwischen den Leit- und Laufschaufelreihen konstant zu halten, ist das Innengehäuse (11, 12) einer Zweigehäuseturbine in ihrem Aussengehäuse (9, 10) diesem gegenüber verschieblich abgestützt. Zur Verschiebung dienen Hebelpaare (18, 19) mit je einem zweiarmigen Schiebehebel (20, 27), die sich auf aussen­gehäusefeste Lagerböcke (21, 28) abstützen, und einem damit zusammenwirkenden Dehnungshebel (22, 29). Eine durch die Be­triebswärme auftretende Verlängerung (Δl) eines zwischen zwei Lagerzapfen (23, 26) liegenden Abschnitts der Länge (l) des Innengehäuses (11, 12) überträgt der Dehnungshebele (22, 29) auf den Schiebehebel (20, 27), dessen Schwenkung um den Lager­zapfen (26) im Uhrzeigersinn die erforderliche Verschiebung (Δx₁, Δx₂) bewirkt.




    Beschreibung


    [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.


    Ansprüche

    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.
     




    Zeichnung










    Recherchenbericht