Modulare Dampfturbine mit Standardbeschaufelung

Abstract

 Bei einem Verfahren zum Herstellen einer Mehrzahl von Dampfturbinen (10) für den Einsatz in verschiedenen Anwendungen, welche sich durch die jeweiligen thermodynamischen Parameter wie z.B. Kühlwassertemperatur, Umgebungstemparatur, gegebene Kesseldaten, Prozessdampfanforderung etc. unterscheiden, wobei die Dampfturbinen (10) jeweils wenigstens einen Hochdruckteil (11) mit einer ersten Beschaufelung und eine Regelradstufe (13) für den Teillastbetrieb aufweisen, wird eine Vereinfachung und Kostenersparnis dadurch erreicht, dass als erste Beschaufelung eine für alle Dampfturbinen gleiche Standardbeschaufelung verwendet wird, und dass die Anpassung der einzelnen Dampfturbine (10) an die thermodynamischen Parameter der jeweiligen Anwendung durch eine entsprechende Auslegung bzw. Variation der Regelradstufe (13) vorgenommen wird.

Beschreibung

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Technik von Dampfturbinen. Sie betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Mehrzahl von Dampfturbinen für den Einsatz in verschiedenen Anwendungen, welche sich durch die jeweiligen thermodynamischen Parameter wie z.B. Kühlwassertemperatur, Umgebungstemperatur, gegebene Kesseldaten, Prozessdampfanforderung etc. unterscheiden, wobei die Dampfturbinen jeweils wenigstens eine Hochdruckstufe mit einer ersten Beschaufelung und eine Regelradstufe für den Teillastbetrieb aufweisen.

STAND DER TECHNIK

[0002] Bei der Herstellung von Dampfturbinen, die als Hochdruck(HD)-Einzelmaschinen oder als kombinierte Hochdruck/Mitteldruck(HDMD)-Maschinen vorliegen können, werden im Auftragsfall die Beschaufelungen des Hochdruck- und/oder Mitteldruckteils individuell an die für den jeweiligen Anwendungsfall erforderlichen bzw. spezifizierten Daten hin ausgelegt. Dazu gehört - wenn für den Teillastbetrieb eine Regelradstufe vorhanden ist - auch die individuelle Auslegung der Regelradstufe mit jeweils angepasster Kanalhöhe (des Radkanals) und angepasster Anzahl der Radschaufeln bzw. der in Strömungsrichtung vor dem Regelrad ringförmig angeordneten Düsen (zu Einzelheiten derartiger Regelradstufen sei an dieser Stelle beispielsweise auf die Druckschriften US-A-4,812,107, US-A-4,881,872 und US-A-4,979,873 verwiesen).

[0003] Diese individuelle Anpassung der Dampfturbine hat zur Folge, dass bei jedem Auftrag neue kundenspezifische Fertigungsdokumente für die gesamte Beschaufelung inkl. der Kleinteile und der Regelradstufe erstellt werden müssen. Ein Wiederholeffekt bei der Fertigung, auch des Regelrades, ist damit weitgehend ausgeschlossen. Diese Vorgehensweise hat zwar den Vorteil, dass mit den bestehenden Auslegungswerkzeugen jede kundenspezifische Variation innerhalb der Beschaufelungen verwirklicht werden kann. Nachteilig ist jedoch, dass mögliche Kosteneinsparungspotentiale sehr klein sind und sich auf gestalterische Feinheiten innerhalb der durch die bestehenden Auslegungswerkzeuge gegebenen Möglichkeiten beschränken.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0004] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit welchem auf einfache Weise und mit hohem Anteil an kostensparenden Standardbauteilen Dampfturbinen für unterschiedliche Anwendungsfälle und unterschiedliche thermodynamische Parameter hergestellt werden können.

[0005] Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale aus dem Anspruch 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, eine fixe Standardbeschaufelung in der Hochdruckstufe mit einer in der Auslegung von Anwendung zu Anwendung variierenden Regelradstufe zu kombinieren, um die Dampfturbine an die jeweiligen thermodynamischen Parameter des Anwendungsfalles (z.B. Kondensatorvakuum (Kühlwassertemperatur), Umgebungstemperaturen, gegebene Kesseldaten verschiedener Hersteller, benötigter Prozessdampf etc.) anzupassen. Damit beschränkt sich die ganze thermodynamische Variabilität der Dampfturbine auf eine einzige Komponente (hier: Regelradstufe), und zwar sowohl fertigungstechnisch, als auch beschaffungstechnisch. Da besonders die Beschaufelung mit der Bearbeitungsschnittstelle (Eindrehungen) an Gehäuse und Welle bezüglich Wiederholeffekten ein enormes Vereinfachungs- und Kosteneinsparungspotential aufweist, wird durch die Standardisierung der Beschaufelung ein erheblicher Vorteil erzielt.

[0006] Eine erste bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfturbinen jeweils zusätzlich einen Mittel- und einen Niederdruckteil mit einer zweiten und dritten Beschaufelung aufweisen, und dass als zweite und dritte Beschaufelung ebenfalls eine für alle Dampfturbinen gleiche Standardbeschaufelung verwendet wird. Durch den Einsatz solcher Standardbeschaufelungen wird in diesem Fall eine noch grössere Vereinfachung/Ersparnis erzielt.

[0007] Eine zweite bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Regelradstufe ein auf dem Rotor sitzendes Regelrad und eine Mehrzahl von konzentrisch um die Rotorachse herum angeordneten Düsen aufweist, und dass zur Auslegung der Regelradstufe das Regelrad und/oder die Düsen in ihrer Anordnung und/oder Ausgestaltung variiert werden.

[0008] Eine bevorzugte Weiterbildung dieser Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Düsen variiert wird und/oder dass die Geometrie der einzelnen Düsen variiert wird.

[0009] Bei einer anderen bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform weist das Regelrad eine dritte Beschaufelungsvariation auf, bei welcher die Radschaufelgeometrie, insbesondere die Blattdicke und/oder die Blatthöhe und/oder die Krümmung, variiert wird.

[0010] Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

[0011] Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1

die beispielhafte schematische Anordnung einer Turbogruppe bzw. Dampfturbine mit angeschlossenem Generator und Regelradstufe im Hochdruckteil, wie sie zur Verwirklichung des Verfahrens nach der Erfindung geeignet ist; und

Fig. 2

im Längschnitt den schematisierten Aufbau der Hochdruckstufe mit Regelrad nach Fig. 1.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

[0012] In Fig. 1 ist eine beispielhafte schematische Anordnung einer Turbogruppe bzw. Dampfturbine mit angeschlossenem Generator und Regelradstufe im Hochdruckteil dargestellt, wie sie zur Verwirklichung des Verfahrens nach der Erfindung geeignet ist. Die Turbogruppe bzw. Dampfturbine 10 umfasst in diesem Beispiel einen Hochdruckteil 11 mit Regelradstufe 12, einen Mitteldruckteil 12 und einen (optionalen) Niederdruckteil 22. Die Dampfturbine 10 treibt einen Generator 23 an.

[0013] In Fig. 2 ist im Längsschnitt das Beispiel eines Hochdruckteils 11 mit einer Beschaufelung 16 und einer vor dem Hochdruckteil 11 angeordneten Regelradstufe 13 gezeigt, die in einem Gehäuse 21 untergebracht sind. Die drehenden Teile sind auf einem gemeinsamen Rotor 18 angeordnet, der sich um eine Rotorachse 20 dreht. Die Regelradstufe 13 enthält ein mit einer eigenen Beschaufelung (siehe dazu z.B. die US-A-4,812,107) ausgestattetes Regelrad 19, das über einen Ring von Düsen 14 mit Dampf aus einem Einströmkanal 15 beaufschlagt wird.

[0014] Im Rahmen der Erfindung werden bei der Dampfturbine 10 die Beschaufelung 16 des Hochdruckteils 11 und die Beschaufelung des Mitteldruckteils 12 als Standardbeschaufelungen ausgeführt, d.h., sie sind für unterschiedliche Anwendungsfälle mit unterschiedlichen thermodynamischen Parametern fix. Die fixe Standardbeschaufelung bedeutet dabei:

• Die Geometrie der Schaufelblätter und der Deckbänder ist festgelegt und unveränderbar.
• Die Eindrehungen für Lauf- und Leitschaufeln sind festgelegt und unveränderbar.
• Die Position der Anzapfschlitze ist festgelegt und unveränderbar.
• Die Stufenzahl und die Anzahl der Schaufeln pro Stufe am Umfang sind festgelegt und unveränderbar.

[0015] Die Anpassung der Dampfturbine 10 an die thermodynamischen Parameter des jeweiligen Anwendungsfalles beschränkt sich ausschliesslich auf die Regelradstufe 13. Hierbei können entweder das Regelrad 19, die Düsen,14 oder beide angepasst werden. Insbesondere bedeutet eine in der Auslegung variable Regelradstufe 13 (wahlweise):

• Die Düsenzahl am Umfang pro HD-Einströmsektor ist variabel.
• Die Düsen- und Radkanalhöhe ist entweder in festgelegten Stufungen oder stufenlos variierbar.
• Die Radschaufelgeometrie des Regelrades 19 (Blattdicke und Krümmung) ist variabel.

[0016] Die Zahl der Düsen 14 kann insbesondere dadurch variiert werden, dass in einzelnen Segmenten bzw. Sektoren der Düsenanordnung Blindsegmente eingesetzt werden. Weiterhin kann der Staffelungswinkel der Düsenprofile variiert werden. Schliesslich ist auch eine Variation der Düsenseitenwandkonturen denkbar.

[0017] Bei der gemeinsamen Anpassung von Regelrad 19 und Düsen 14 kann neben der Höhe auch deren Konizität oder deren Profil verändert werden.

[0018] Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung ein Herstellungsverfahren, das sich durch die folgenden Vorteile auszeichnet:

• Es ergeben sich Wiederholeffekte für die gesamte Beschaufelung, sowohl bei der Beschaffung als auch bei der Fertigung.
• Es ergeben sich Wiederholeffekte bei der Bearbeitung der Gehäuse und des Rotors. Dies drückt sich aus in konstanten, auftragsunabhängigen Fertigungsdokumenten (Guss- und Bearbeitungszeichnungen sowie Stücklisten).
• Die Offertabwicklung ist vereinfacht, schneller und damit effizienter.
• Es ergiben sich beachtliche Gesamtkosteneinsparungen gegenüber dem Stand der Technik von ca. 30-40% bezogen auf die Herstellungskosten.

BEZUGSZEICHENLISTE

[0019] 

10

Dampfturbine

11

Hochdruckteil

12

Mitteldruckteil

13

Regelradstufe

14

Düse

15

Einströmkanal

16

Beschaufelung (Hochdruckteil)

18

Rotor

19

Regelrad

20

Rotorachse

21

Gehäuse

22

Niederdruckteil

23

Generator

Ansprüche

1. Verfahren zum Herstellen einer Mehrzahl von Dampfturbinen (10) für den Einsatz in verschiedenen Anwendungen, welche sich durch die jeweiligen thermodynamischen Parameter wie z.B. Kühlwassertemperatur, Umgebungstemperatur, gegebene Kesseldaten, Prozessdampfanforderung etc. unterscheiden, wobei die Dampfturbinen (10) jeweils wenigstens einen Hochdruckteil (11) mit einer ersten Beschaufelung (16) und eine Regelradstufe (13) für den Teillastbetrieb aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass als erste Beschaufelung (16) eine für alle Dampfturbinen gleiche Stardardbeschaufelung verwendet wird, und dass die Anpassung der einzelnen Dampfturbine (10) an die thermodynamischen Parameter der jeweiligen Anwendung durch eine entsprechende Auslegung bzw. Variation der Regelradstufe (13) vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfturbinen (10) jeweils zusätzlich einen Mittel- und Niederdruckteil (12 bzw. 22) mit einer zweiten (17) und einer dritten Beschaufelung aufweisen, und dass als zweite (17) und dritte Beschaufelung ebenfalls eine für alle Dampfturbinen (10) gleiche Standardbeschaufelung verwendet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelradstufe (13) ein auf dem Rotor (18) sitzendes Regelrad (19) und eine Mehrzahl von konzentrisch um die Rotorachse (20) herum angeordneten Düsen (14) aufweist, und dass zur Auslegung der Regelradstufe (13) das Regelrad (19) und/oder die Düsen (14) in ihrer Anordnung und/oder Ausgestaltung variiert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Düsen (14) variiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (14) auf einzelne Kreissegmente bzw. Sektoren aufgeteilt sind, und dass die Anzahl der Düsen (14) durch den Einsatz von Blindsegmenten variiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der einzelnen Düsen (14) variiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelrad (19) und die Düsen (14) naben- und zylinderseitig abgrenzende Strömungskonturen aufweisen, welche einen Strömungskanal bilden, der in der Höhe stufenlos oder in festgelegten Stufungen variiert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelrad (13) eine dritte Beschaufelungsvariation aufweist, bei welcher die Radschaufelgeometrie, insbesondere die Blattdicke und/oder die Blatthöhe und/oder die Krümmung, variiert werden.

Zeichnung