Die Erfindung bezieht sich auf eine kombinierte Mehrdruck-Dampfturbine mit einem Hochdruck- und einem Mitteldruckbereich, einer einachsigen Rotoranordnung, die den Hochdruck- und Mitteldruckbereich einseitig begrenzt,
einem Außengehäuse, das über Ein- und Auslaßöffnungen verfügt und die Rotoranordnung sowie den Hochdruck- und Mitteldruckbereich wenigstens teilweise umgibt, sowie einer Trennvorrichtung, die den Hochdruckbereich vom Mitteldruckbereich axial zur Rotoranordnung abdichtet sowie mit einem zwischen der Rotoranordnung und dem Außengehäuse vorgesehenen kombinierten Zwischengehäuse, das mit seiner von der Rotoranordnung abgewandten Seite zusammen mit dem Außengehäuse ein Kühlvolumen einschließt.
Aus der US 5 411 365 geht eine gattungsgemäße kombinierte Hochdruck-/Mitteldruck-Dampfturbine hervor, die aus Gründen vereinfachter konstruktiver Auslegung und Kostenersparnis eine Trennvorrichtung 142 (siehe hierzu Fig. 2 der US-Druckschrift) aufweist, durch die der Hochdruck-(HP) vom Mitteldruckbereich (IP) abgetrennt wird. Bei der kombinierten Dampfturbine handelt es sich um die Kombination eines Hochdruck- und Mitteldruckdampfturbinenteils, die von einer einzigen Rotorwelle durchragt werden und jeweils entgegengesetzt gerichtete Dampfströmungsrichtungen aufweisen. Durch einen mittig angeordneten Dampfzuführungskanal 116 gelangt Dampf mit hohem Druck in den Hochdruckbereich der Dampfturbine, der einerseits durch die Rotoranordnung begrenzt ist und andererseits unmittelbar von
dem Außengehäuse der Dampfturbine umgeben ist. Der am Ende der Hochdruckdampfturbine austretende Dampfstrom wird durch eine Auslaßöffnung und über eine entsprechende Zuleitung dem Mitteldruckbereich direkt ober über einen Zwischenüberhitzer der kombinierten Dampfturbine zugeführt. Der Mitteldruckbereich ist axial gegen den Hochdruckbereich durch die Trennvorrichtung 142 und radial einerseits durch die Rotoranordnung und andererseits durch die Außenwandung begrenzt. Nachteilhaft bei dieser Konstruktion einer kombinierten Dampfturbine ist jedoch, daß die unter Druck stehenden, heißen Dampfströme unmittelbar in thermischen Kontakt mit dem Außengehäuse treten, wodurch die mechanische und insbesondere die thermische Belastung des Materials des Außengehäuses in diesen Bereichen sehr hoch ist. Zur Gewährleistung einer langen Lebensdauer der Dampfturbine sind daher insbesondere jene Bereiche des Außengehäuses entsprechend stark auszulegen, die den vorstehend genannten starken Belastungen ausgesetzt sind. Auch werden für diese Gehäuseteile hochwertige Werkstoffe verwendet, die nicht zuletzt auch in beträchtlichem Maße zu den Gesamtkosten der Dampfturbine beitragen.
Demgegenüber sieht die Druckschrift WO 97/25521 eine Turbinenwelle einer Dampfturbine mit interner Kühlung hervor, die ein Außengehäuse 22 sowie ein Innengehäuse 21 vorsieht. Das Innengehäuse 21 umgibt einhäusig sowohl den Hochdruckteil 23, den Mitteldruckteil 25 sowie eine, beide Druckbereiche voneinander abdichtende Wellendichtung 24. Der Hauptaspekt der Druckschrift liegt jedoch auf der Kühlung der Rotorwelle, gleichwohl das Aussengehäuse der dargestellten Dampfturbine nicht unmittelbar dem Dampfstrom im Hoch- und Mitteldruckbereich ausgesetzt ist.
In ähnlicher Form beschreibt die Druckschrift US 3,189,320 eine kombinierte Dampfturbine mit einem Hochdrucktell und einen Mitteldruckteil, die beide von einem Außengehäuse umgeben sind. Innerhalb des Außengehäuses umgibt ein Innengehäuse die gesamte Rotoranordnung, so dass das Aussengehäuse vollständig vom heißen Dampfstrom getrennt ist.
Auch die in der FR 0 394 894 A1 beschriebene Hochdruck-Mitteldruck-Dampfturbine weist ein durch Innengehäuse und Aussengehäuse eingeschlossenes Kühlvolumen auf, das zudem von Dampfanteilen aus dem Hochdruckbereich durchströmt wird.
Allen drei vorstehend beschriebenen, bekannten HD/MD-Dampfturbinen ist gemeinsam, dass die Rotoranordnung vollständig von einem ein- oder mehrstückigen Innengehäuse umgeben ist, das zwar zu einer reduzierten thermischen Belastung des Aussengehäuses beiträgt, jedoch auch mit einem hohen konstruktions- und kostenbedingten Aufwand verbunden ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kombinierte Hochdruck-/Mitteldruck-Dampfturbine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, daß konstruktive Maßnahmen getroffen werden sollen, die mechanische und insbesondere thermische Belastung des Außengehäuses der Dampfturbine zu mindern, um die Stabilitätsanforderungen an die Gehäusewandung herabsetzen zu können. Die konstruktiven Maßnahmen sollen zudem zur Material-und Kosteneinsparung beitragen. Überdies soll es möglich sein, bei der Materialwahl für das Außengehäuse auch Werkstoffe minderer Qualität und somit kostengünstigere Gehäusekomponenten verwenden zu können.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist eine kombinierte Mehrdruck-Dampfturbine mit einem Hochdruck- und einem Mitteldruckbereich, einer einachsigen Rotoranordnung, die den Hochdruck- und Mitteldruckbereich einseitig begrenzt, einem Außengehäuse, das über Ein- und Auslaßöffnungen verfügt und die Rotoranordnung sowie den Hochdruck- und Mitteldruckbereich wenigstens teilweise umgibt, einer Trennvorrichtung, die den Hochdruckbereich vom Mitteldruckbereich axial zur Rotoran-ordnung abdichtet, sowie mit einem zwischen der Rotoranordnung und dem Außengehäuse vorgesehenen kombinierten Zwischengehäuse, das mit seiner von der Rotoranordnung abgewandten Seite zusammen mit dem Außengehäuse ein Kühlvolumen einschließt, derart weitergebildet, daß das Zwischengehäuse nur Teile einer Beschaufelung der Rotoranordnung im Mitteldruck- und Hochdruckbereich umgibt, daß die übrigen Teile der Beschaufelung der Rotoranordnung, die jeweils im Hochdurck- und Mitteldruckbereich in Dampfströmungsrichtung dem Zwischengehäuse nachgeordnet sind, unmittelbar von dem Außengehäuse umgeben werden und dass dem, den Mitteldruckbereich teilweise umgebenden Zwischengehäuse in Dampfströmungsrichtung ein Durchgangskanal nachgeordnet ist, der den Mitteldruckbereich mit dem Kühlvolumen verbindet.
Das erfindungsgemäße Zwischengehäuse dient zur thermischen Abtrennung der heißen Dampfströme, die sich innerhalb des Hoch- und Mitteldruckbereiches ausbreiten, von dem die Gesamtturbine einkapselnden Außengehäuses. Insbesondere wird zur aktiven Kühlung der Innenseite des Außengehäuses durch den Expansionsvorgang innerhalb der Mitteldruckturbine abgekühlter Dampf aus dem Mitteldruckbereich entnommen und in den sich zwischen dem Zwischengehäuse und dem Außengehäuse bildenden Zwischenraum eingeleitet. Auf diese Weise ist es möglich, die Temperatur des Außengehäuses durch gezielte Unterströmung mit Kühldampf um ca. 100° C und mehr zu senken, als im Falle der herkömmlichen, unmittelbaren Beaufschlagung des Außengehäuses mit Dampfströmungen, die in die jeweiligen Bereiche der Hoch- und Mitteldruckturbine eingeleitet werden.
Das Zwischengehäuse erstreckt sich vorzugsweise aus Bereichen der Mitteldruckdampfturbine über die axiale Trennvorrichtung, die zur dampfdichten Trennung zwischen Hochdruck- und Mitteldruckbereich ringförmig um die Rotoranordnung vorgesehen ist, bis hin in den Hochdruckdampfturbinenbereich. Dabei ist das Zwischengehäuse vorzugsweise konstruktiv mit der Trennvorrichtung als Einheit ausgebildet und umschließt ebenso wie die Trennvorrichtung beidseitig die angrenzenden Bereiche der Rotoranordnung.
Sowohl im Hochdruck- als auch im Mitteldruckbereich der kombinierten Dampfturbine weist das Zwischengehäuse Abschnitte auf, an denen Leitschaufeln angebracht sind, die mit den an der Rotoranordnung angebrachten Laufschaufeln der Hochdruck- bzw. Mitteldruckdampfturbine in Eingriff stehen. Auf der Seite der Hochdruckdampfturbine ist das Zwischengehäuse zudem mit dem Außengehäuse dampfdicht verfügt, so daß der Hochdruckbereich der Hochdruckdampfturbine auf der einen Seite von der Rotoranordnung selbst und auf der anderen Seite von Teilen des Zwischengehäuses sowie dem Außengehäuse begrenzt wird.
Auf der Seite der Mitteldruckdampfturbine umgibt das Zwischengehäuse einen in Dampfströmungsrichtung vorderen Teil der Rotoranordnung derart, daß Leitschaufeln fest am Zwischengehäuse angeordnet sind, die zwischen die an der Rotoranordnung integrierten Laufschaufeln hineinragen. Das den Mitteldruckbereich umschließende Zwischengehäuse umfaßt die Rotoranordnung soweit,dass sich der durch die Rotoranordnung expandierende Dampf soweit abgekühlt hat, bis sich die Dampftemperatur deutlich unter der Eintrittstemperatur des Dampfes in den Mitteldruckbereich absenkt. Typischerweise betragen Dampfeintrittstemperaturen im Mitteldruckbereich etwa 500 - 600° C, die im Laufe der Expansion beim Durchtritt durch die Rotoranordnung der Mitteldruckdampfturbine auf weit unter 500° C fallen.
In Dampfrichtung dem Zwischengehäuse nachgeordnet umschließen Teile des Außengehäuses die Mitteldruckdampfturbine, sind jedoch getrennt durch einen engen Durchgangskanal vom Zwischengehäuse in Abstand gehalten. Durch den engen Durchgangskanal gelangt stärker abgekühlter Dampf in das Kühlvolumen zwischen dem Zwischen- und Außengehäuse. Der auf unter 500 °C expandierte Dampf vermag das Außengehäuse auf das untere Temperaturniveau zu kühlen, wodurch das Material des Außengehäuses geringeren thermischen Belastungen ausgesetzt ist.
Das Kühlvolumen weist ferner wenigstens eine großdimensionierte Ausgangsöffnung auf, durch die der Kühldampf aus der Dampfturbine abgeleitet werden kann. Die Dimensionierung der Ausgangsöffnung ist deutlich größer gewählt als der Strömungsquerschnitt des Durchgangskanals zwischen dem Zwischengehäuse und dem Außengehäuse, so daß im Kühlvolumen ein deutlich geringerer Druck vorherrscht als im Mitteldruckbereich der Dampfturbine. Aus diesem Grund wird neben der geringeren Temperaturbelastung das Außengehäuse auch weniger stark mit hohem Druck von der Innenseite der Dampfturbine belastet, so daß auch die mechanische Belastung des Materials des Außengehäuses geringer ist als bei herkömmlichen kombinierten Dampfturbinen.
Durch die vorliegende Erfindung ist es möglich, die konstruktive Auslegung des Außengehäuses materialsparend zu dimensionieren und überdies Werkstoffe zu verwenden, die nur noch den geringeren Temperatur- und Druckbedingungen standhalten müssen. Eine erhebliche Kostenreduzierung beim Bau derartiger Dampfturbinen ist dadurch zu erreichen.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die einzige Zeichnung exemplarisch beschrieben.
In der einzigen Figur ist ein Längsschnitt durch eine kombinierte Dampfturbine dargestellt, die einen Hochdruckbereich (HD) 1 und einen Mitteldruckbereich (MD) 2 aufweist. Die Begriffe Hochdruckbereich und Mitteldruckbereich sollen die Bereiche der Dampfturbinenanordnung definieren, durch die der Dampf nach Eintritt in die Dampfturbine durchströmt. So gelangt heißer und unter hohem Druck stehender Dampf durch den Einströmkanal 3 in das Innere der Dampfturbine, die von einem Außengehäuse 4 umgeben ist. Im Inneren der Dampfturbine ist eine einachsige Rotoranordnung 5 vorgesehen, die zwei voneinander getrennte Laufschaufelbereiche 5' (HD) und 5" (MD) vorsieht. Der Laufschaufelbereich 5' der Rotoranordnung 5 begrenzt einseitig das Durchströmungsvolumen 6 des Hochdruckbereiches, das sich unmittelbar am Ausgang 7 des Einströmkanals 3 anschließt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die Dampfströmung im Hochdruckbereich 1 von rechts nach links durch das mit Leit- 8 und Laufschaufeln 9 durchsetzte Durchströmungsvolumen 6. Über eine in der Figur dargestellte Hochdruckaustrittsöffnung 6' sowie Zuleitung und Einlaßöffnung gelangt der den Hochdruckbereich durchströmte Dampf in das Eingangsvolumen 10 des Mitteldruckbereiches 2 und durchströmt den Mitteldruckbereich von links nach rechts bis zum Austritt 11 des Mitteldruckbereiches. Aufgrund der zum Hochdruckbereich 1 entgegengesetzten Dampfströmungsrichtung innerhalb des Mitteldruckbereiches werden derartige kombinierte Dampfturbinen auch als in Gegenrichtung durchströmte Dampfturbinen bezeichnet. Der die Leit- 8 und Laufschaufeln 9 im Mitteldruckbereich 2 passierende Dampf entweicht in üblicher Weise über eine Auslaßöffnung 12.
Für eine Dampfdruckangleichung zwischen dem Durchströmungsvolumen 6 des Hochdruckbereiches 1 und dem Durchströmungsvolumen 11 des Mitteldruckbereiches 2 ist eine Trennvorrichtung 13 vorgesehen, die radial die Rotoranordnung 5 im Mittenbereich mittels einer Wellendichtung 14 umgibt. Beidseitig zur Trennvorrichtung erstreckt sich ein Zwischengehäuse 15, das giesstechnisch mit der Trennvorrichtung 13 verbunden ist.
Zur Seite des Hochdruckbereichs 1 begrenzt ein Fortsatz des Zwischengehäuses 15 den Eintrittsbereich des Durchströmungsvolumens 6. Das Zwischengehäuse 15 überragt dabei einen Teil der Rotoranordnung 5' und weist die in Dampfströmungsrichtung ersten Leitschaufeln 8 auf, die in den Zwischenraum der Laufschaufeln der Rotoranordnung 5' hineinragen. Das Zwischengehäuse 15 ist im Hochdruckbereich 1 überdies dampfdicht mit dem Außengehäuse 4 verbunden.
In den Mitteldruckbereich 2 erstreckt sich das Zwischengehäuse 15 in einer torusartigen Form und schließt mit seiner, der Rotoranordnung 5" zugewandten Seite, das Eingangsvolumen 10 ein. Auch im Mitteldruckbereich ist das Zwischengehäuse 15 derart ausgebildet, daß es in Dampfströmungsrichtung mit den ersten Leitschaufeln 8 verbunden ist, die in die Zwischenräume der Laufschaufeln 9 der Rotoranordnung 5" eingreifen. In Dampfströmungsrichtung, dem Zwischengehäuse 15 im Mitteldruckbereich nachgeordnet, umschließt ein Teil des Außengehäuses 4 die Rotoranordnung 5". Der die Rotoranordnung 5" umschließende Teil des Außengehäuses ist jedoch mit Abstand vom Zwischengehäuse 15 angebracht, so daß ein Durchgangskanal 16 eingeschlossen ist, durch den ein Dampfaustritt radial zur Rotoranordnung 5" in das Kühlvolumen 17 erfolgt, wobei das Kühlvolumen einerseits von dem Zwischengehäuse 15 und andererseits von der Innenseite des Außengehäuses 4 eingeschlossen ist. Durch den Durchgangskanal 16 tritt der den Mitteldruckbereich anfangs durchströmte, expandierte und deshalb abgekühlte Dampf teilweise in das Kühlvolumen 17 ein und vermag die Innenseite des Außengehäuses 4 und die Aussenfläche des Zwischengehäuses 15 zu kühlen. Das Kühlvolumen 17 erstreckt sich radial um das gesamte Zwischengehäuse und erfaßt auch Bereiche auf der Seite des Hochdruckbereiches. Über eine Ausgangsöffnung 18 kann der das Außengehäuse 4 kühlende Kühldampf entweichen.
Zusätzlich zur Austrittsöffnung ist optional eine Kühlleitung 21 vorgesehen, die mit dem Kühlvolumen 17 derart verbunden ist, daß durch diese Leitung zur regelbaren Steigerung der Durchströmung des Kühlvolumens 17 Kühldampf direkt aus dem Kühlvolumen 17 nach Außen strömen kann, ohne daß der Kühldampf die Auslaßöffnung 18 passieren muß. Die zusätzliche Kühlleitung 21 ist insbesondere bei Anfahrprozessen in Fällen von großen Lastwechslen bei der Dampfturbine von Vorteil, da auf diese Weise der Kühldampfdurchsatz durch das Kühlvolumen 17 in weiten Grenzen variiert werden kann. Für eine gezielte Regelung des Kühlmitteldampfdurchsatzes dient wenigstens ein Regelventil 22, das in der Kühlleitung eingebaut ist. Die Kühlleitung mündet vorzugsweise im Auslaßbereich 12 des Mitteldruckbereiches.
Die Innenkontur des Kühlvolumens 17 ist vorzugsweise derart ausgebildet, daß keine in Durchströmungsrichtung des Kühldampfes vorhandene Toträume gebildet werden.
Durch geeignete Maßnahmen, bspw. durch Gleichrichter, die in Form von Durchströmungsöffnungen 20 ausgebildet sind, wird eine gleichförmige Durchströmung des Kühlvolumens erreicht, bevor der Kühldampf durch die Auslaßöffnung 18 weitergeführt wird.
Das Zwischengehäuse 15 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel lösbar fest mit einer Verhakung 19 mit dem Außengehäuse 4 verbunden.
Durch das erfindungsgemäß vorgesehene Zwischengehäuse 15 kann in dem sich dadurch gebildeten Kühlvolumen 17 abgekühlter Kühldampf bei Temperaturen von unter 500° C, vorzugsweise 450° C aus dem Mitteldruckbereich 16 abgezweigt werden und auf diese Weise das Außen- und Zwischengehäuse der Dampfturbine entscheidend gekühlt werden. Die vorstehend genannten Vorteile hinsichtlich der geringeren Anforderungen an Materialwahl sowie Wandstärke sind die Folge.