Ausgleichskolben für den axialen Schubausgleich einer Welle von einer Turbine

Abstract

 Die Erfindung bezieht sich auf einen Ausgleichskolben (4) zum Ausgleich des axialen Schubs einer Welle (1) einer Turbine (2). Erfindungsgemäss wird der Ausgleichskolben (4) ausserhalb des Gehäuses der Turbine (2) vorzugsweise an einem freien Ende der Welle (1) angeordnet. Das Medium der Turbine (2) wird durch Leitungen (5,6) zu den Druckflächen des Ausgleichskolbens (4) geleitet, um einen axialen Ausgleich des Schubes der Welle (1) in entgegengesetzter Richtung zu bewirken. In der Zuleitung (5) zum Ausgleichskolben (4) ist ein Kühlelement (6) angeordnet, welches den Dampf in der Zuleitung (5) abkühlt. So kann an den Druckflächen des Ausgleichskolbens (4) im wesentlichen nur der Druck und nicht die Temperatur des Dampfes wirken und die Radialspiele verkleinern sich vorteilhaft. Zudem kann die Turbine (4) durch die Auslagerung des Ausgleichskolbens (4) in dem Durchmesser der Welle (1), dem Abstand zum Axiallager (3) und dem Durchmesser der Labyrinthe der Beschauflung flexibler im Hinblick auf einen optimalen Wirkungsgrad gestaltet werden.

Beschreibung

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Bei der Erfindung handelt es sich einen Ausgleichskolben für den axialen Schubausgleich von einer Welle einer Turbine.

STAND DER TECHNIK

[0002] Die Wellen von Turbomaschinen, also Dampf- und Gasturbinen, weisen bei Betrieb einen gewissen axialen Schub auf. Dieser axialer Schub muss durch eine entsprechende Lagerung der Welle ausgeglichen bzw. aufgenommen werden. In der klassischen Bauweise von Dampfturbinen mit Reaktionen ab ca. 20 % werden die Wellen mit Schubausgleichskolben und mit Axiallagern ausgestattet. Die Schubausgleichskolben, welche in jeder Teilturbine vorhanden sind, gleichen den Schub bei jedem Lastfall so aus, dass die Belastung des Axiallagers innerhalb bestimmter Grenzen bleibt. Die Verwendung von Schubausgleichskolben bringt aber zahlreiche, konstruktive Nachteile bei dem Bau einer Turbine mit sich. Der Ausgleichskolben, welcher in einem Teil der Maschine integriert ist, steht meistens über Rohrleitungen mit dem Medium, welches die Turbine antreibt, in Verbindung. Er verursacht aber diverse Verluste, da er durch die Einwirkung von Temperatur und Druck notwendigerweise vergrösserte Radialspiele aufweisen muss. Die Schubausgleichskolben beschränken die optimale Länge der Maschine und wirken sich auch negativ auf wellendynamische Eigenschaften aus. So kann die Wahl des Durchmessers der Labyrinthe der Beschauflung nicht beliebig klein gewählt werden, was zu weiteren Verlusten führt.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0003] Ziel der Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile zu überwinden. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ausgleichskolben zum Ausgleich des axialen Schubes einer Welle von einer Turbine zu schaffen, mit welches es möglich ist, die Länge der Welle der Maschine zwischen den Lagerstellen und den Durchmesser der Labyrinthe der Beschauflung im Hinblick auf einen erhöhten Wirkungsgrad der Turbine flexibler zu gestalten.

[0004] Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der Ausgleichskolben in einem Gehäuse ausserhalb des Gehäuses der mindestens einen Turbine angeordnet ist und eine Zu- und eine Ableitung existieren, welche die Druckflächen des Ausgleichskolbens so mit dem Medium der mindestens einen Turbine verbinden, dass der Ausgleichskolben einer axialen Verschiebung der Welle entgegenwirkt.

[0005] Vorteilhaft können die Radialspiele innerhalb des Ausgleichskolbengehäuses sehr klein gehalten werden, wenn sich in der Zu- und Ableitung ein Kühler befindet, so dass auf die Druckflächen des Ausgleichskolben im wesentlich nur der Druck und nicht die Temperatur wirkt. Die erfindungsgemässe Anordnung des Ausgleichskolbens ausserhalb des Gehäuses der Turbine gibt einen grösseren Spielraum für die optimale Gestaltung insbesondere der Länge der Welle und der Radial- und Axialspiele der Labyrinthe der Beschauflung und einen vorteilhaft kleineren Abstand zum Lager der Welle.

[0006] Die weiteren Ausführungsformen sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

[0007] Es zeigen:

Fig.1

ein Schaltschema einer erfindungsgemässen Anordnung eines Schubausgleichskolbens an einem freien Wellenende mit einer Turbine mit einer Druckstufe,

Fig.2

ein Schaltschema einer erfindungsgemässen Anordnung von einem Schubausgleichskolben mit zwei Teilkolben und zwei auf der Welle angeordneten Turbinen unterschiedlicher Druckstufen.

[0008] Es werden nur die für die Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt.

WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

[0009] In der Figur 1 wird ein Ausgleichskolben 4 zum Ausgleich des axialen Schubes einer Welle 1 von einer Turbine 2 dargestellt, welcher erfindungsgemäss ausserhalb des Turbinengehäuses angeordnet ist. Die Turbine 2 wird mit einer Frischdampfleitung 11 mit Dampf versorgt und der von der Turbine 2 entspannte Dampf wird durch eine Ableitung 12 wieder weggeleitet. Zwischen der Turbine 2 und dem Ausgleichskolben 4 befindet sich das Axiallager 3. Der Ausgleichskolben 4 ist in einem Kolbengehäuse 9 angeordnet. Um einen axialen Schubausgleich zu erreichen ist es notwendig, die Druckflächen des Ausgleichskolbens 4 durch Leitungen 5,6 mit dem Medium, welches die Turbine 2 betreibt, zu verbinden. In der Figur 1 sind die Leitung 5,6 deshalb mit der Frischdampfzuleitung 11 und der Ableitung 12 verbunden. Die Zuleitung 5 dient zur Entnahme des Dampfes bei einem hohen Druck, und die Ableitung 6 zur Zurückführung des Mediums zur Ableitung 12 der Turbine 2 bei einem niedrigeren Druck. Der Ausgleichskolben 4 ist so angeordnet, dass die Druckdifferenz, welche auf die Turbine 2 wirkt, auf die Druckflächen des Ausgleichskolbens 4 axial in entsprechend entgegengesetzter Richtung wirkt. Durch die Anordnung des Ausgleichskolbens 4 ausserhalb des Turbinengehäuses 8 ist es möglich, den Dampf vor dem Auftreffen auf die Druckflächen des Ausgleichskolbens 4 von der Temperatur her abzusenken und so in wesentlichen nur den Druck auf die Flächen wirken zu lassen. Zu diesem Zweck ist ein Kühlelement 7 in die Zuleitung 5, welche zum Ausgleichskolben 4 führt, eingebaut. Es ist auch denkbar, das Kühlelement 7 wegzulassen und die Zuleitung 5 nur durch natürliche Konvektion zu kühlen. Dies ist möglich, da die Durchflussmengen zu den Zu- 5 und Ableitungen 6 klein gehalten werden. Für die Ausgestaltung des erfindungsgemässen Ausgleichskolbens 4 sind verschiedene Möglichkeiten denkbar, das Medium der Turbine 2, beispielsweise den Dampf einer Dampfturbine, abzukühlen.

[0010] Prinzipiell ist es möglich, den Dampf auf eine Temperatur abzusenken, die oberhalb der Sättigungstemperatur des Dampfes liegt. Damit bleibt der Dampf in der Gasphase und der Ausgleichskolben 4 in dem Kolbengehäuse 9 wirkt als Gaslabyrinth. Vorteilhaft sind die Reibungsverluste in dem Ausgleichskolbens 4 dann sehr gering. Diese Variante eignet sich insbesondere bei niedrigen Drücken und einer niedrigen Temperatur des Mediums, also beispielsweise bei einer Mitteldruck- oder Niederdruckturbine.

[0011] In einer zweitem Ausführungsform wird beispielsweise der Dampf einer Dampfturbine auf eine Temperatur unterhalb der Sättigungstemperatur erniedrigt. In diesem Fall tritt eine Kondensation des Dampfes ein und der Ausgleichskolben 4 wirkt als Flüssigkeitslabyrinth. Vorteilhaft können die Leckageverluste des Ausgleichskolbens 4 dann sehr gering gehalten werden. Diese Variante eignet sich insbesondere bei hohen Drücken des Mediums, also beispielsweise bei einer Hochdruckturbine.

[0012] Selbstverständlich können in einem Kraftwerk bei mehreren Turbinen 2 diese beiden prinzipiellen Ausführungsformen auch nebeneinander bei verschiedenen Ausgleichskolben 4 vorliegen.

[0013] In der Figur 2 wird eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemässen Ausgleichskolbens 4 dargestellt. In der Figur existieren auf der Welle 1 zwei Turbinen 2 in einem Turbinengehäuse 8, welche bei unterschiedlichen Drücken arbeiten. Dementsprechend ist es notwendig, bei den Turbinen 2 auch verschiedene Teilkolben 10 bei dem Ausgleichskolben 4 vorzusehen, die jeweils dem axialen Schub der entsprechenden Turbinen 2 entgegenwirken. Der Ausgleichkoben 4 hat in dieser Ausführungsform entsprechend den Druckstufen der Turbinen 2 zwei Teilkolben 10. Dies geschieht nur beispielsweise und kann je nach Ausführungsart der Turbine variieren. In den Zuleitungen 5 existiert jeweils wieder ein Kühlelement 7, welches die Temperatur des Mediums herabsetzt. Es ist denkbar, dies mit den bereits in der Figur 1 beschriebenen Möglichkeiten zu tun.

[0014] Durch die Herabsetzung der Temperatur des Mediums wirkt im wesentlichen der Druck an den Druckflächen des Ausgleichskolbens 4. Dies wirkt sich positiv auf die Radialspiele des Turbinengehäuses 8 des Ausgleichskolbens 4 aus, verringert somit die Verluste und verbessert den Durchfluss durch die Labyrinthe des Ausgleichskolbens. Zudem ist es durch die Auslagerung des Ausgleichskolben 4 nun möglich, die Gestaltung der Turbine 2 (Lagerabstand zum Axiallager 3, Radialspiele der Labyrinthe der Beschauflung, Länge der Welle innerhalb der Turbine 2) flexibler im Hinblick auf einen optimalen Wirkungsgrad zu gestalten.

BEZUGSZEICHEN

[0015] 

1

Welle

2

Turbine

3

Axiallager

4

Ausgleichskolben

5

Zuleitung

6

Ableitung

7

Kühlelement

8

Turbinengehäuse

9

Kolbengehäuse

10

Teilkolben

11

Frischdampfzuleitung

12

Turbinenableitung der Dampfes

Ansprüche

1. Ausgleichskolben (4) für den axialen Schubausgleich einer Welle (1) von mindestens einer in einem Turbinengehäuse (8) angeordneten Turbine (2) einer bestimmten Druckstufe,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Ausgleichskolben (4) ausserhalb des Turbinengehäuses (8) der mindestens einen Turbine (2) angeordnet ist.

2. Ausgleichskolben (4) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Zu- (5) und eine Ableitung (6) existieren, welche den Ausgleichskolben (4) mit dem Medium der mindestens einen Turbine (2) verbinden.

3. Ausgleichskolben (4) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
es einen Ausgleichskolben (4) für die Welle (1) von mehrere Turbinen (2) mit unterschiedlichen Druckstufen gibt, der Ausgleichskolben (4) pro Druckstufe der Turbine (2) einen Teilkolben (10) aufweist, und jeder Teilkolben (10) des Ausgleichskobens (4) durch Zu- (5) und Ableitungen (6) mit dem Medium der korrespondierenden Turbine (2) verbunden ist.

4. Ausgleichskolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
in den Zuleitungen (5), die zum Ausgleichskolben (4) führen, ein Kühlelement (7) angeordnet ist.

5. Ausgleichskolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Ausgleichskolben (4) an einem Ende der Welle (1) angeordnet ist.

Zeichnung