Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, die ein Gehäuse mit einem drehgelagerten Rotor mit drei Schaufelbereichen aufweist, die strömungstechnisch verbunden sind. Sie betrifft weiter ein Verfahren zum Betrieb der vorgenannten Strömungsmaschine als Dampfturbine.
Bekannte Strömungsmaschinen die einen Hochdruckdampf- und Niederdruckdampfbereich aufweisen, können eingehäusig oder zweigehäusig aufgebaut sein. In 1997P03012 DE sind solche Strömungsmaschinen, insbesondere Dampfturbinen dargestellt. Die zweigehäusige Ausführung gehört nicht zum technischen Gebiet der vorliegenden Erfindung und wird daher nicht weiter dargestellt. Die eingehäusige Ausführung besteht aus einem Rotor mit zwei einflutigen Schaufelbereichen die zu den jeweiligen Gehäuseenden weisen. Ein Schaufelbereich wird als Hochdruckdampf-Schaufelbereich ausgeführt und ein anderer Schaufelbereich als Niederdruckdampfbereich. Einströmender Frischdampf strömt in axialer Richtung zunächst durch den Schaufelbereich des Hochdruckdampf-Schaufelbereichs. Von dort gelangt der nunmehr teilweise entspannte Dampf über eine Leitung zum Mitteldruckdampf-Schaufelbereich.
In der GB 100,369 wird eine Dampfturbine umfassend eine Mitteldruckteilturbine, eine Niederdruckteilturbine und eine weitere Niederdruckteilturbine beschrieben. Das durch die Mitteldruckteilturbine strömende Strömungsmedium teilt sich nach der Durchströmung in zwei Teilströme auf, wovon der eine Teilstrom durch die erste Niederdruckteilturbine strömt und der andere Teilstrom innerhalb der Dampfturbine zur weiteren Niederdruckteilturbine strömt. Diese Dampfturbine ist derart ausgestaltet, dass die Temperatur des Strömungsmediums vor dem Eintritt in die erste Niederdruckteilturbine höher ist als vor dem Eintritt in die zweite Niederdruckteilturbine.
Im Hochdruck-, Mitteldruckbereich nimmt das spezifische Volumen bei konstantem Massenstrom im Verlauf der Expansion verhältnismäßig gering zu. Ab dem Übergangsbereich zwischen Mitteldruck und Niederdruck (ca. 2 bis 3 bar) nimmt das spezifische Dampfvolumen stark zu, der Volumenstrom und damit die benötigte Strömungsfläche gleichfalls. Die Realisierung der Strömungsfläche stößt auf physikalische Grenzen (z.B. Festigkeit) und erfordert einen großen Bauaufwand.
Nachteilig bei diesen bekannten Ausführungsformen mit Hochdruck-Expansionsbereich ist das Anliegen von Heißdampf am Inneren eines Turbinenendes. Zur Reduzierung des austretenden Dampfes aus der Turbine zwischen Außengehäuse und Rotor werden mehrere Dichtschalen angeordnet. Der energiereiche Dampf zwischen den Dichtschalen wird teilweise in Beschaufelungsbereiche mit niedrigerer Temperatur zur thermodynamischen Prozessoptimierung rückgeführt. Dabei führt die Dichtschalendampf-Einleitung in die Beschaufelungsbereiche zur einer am Gehäuseumfang unsymmetrischen Gehäuseerwärmung, die thermische Spannungen und Verformungen zur Folge hat, d.h. ein Verziehen des Gehäuses, das unter Umständen zu einem Anstreifen von Schaufeln am Gehäuse führen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine eingehäusige Strömungsmaschine so zu entwerfen, dass keine Rückführung von Dichtschalendampf hinsichtlich einer thermodynamischen Prozessoptimierung notwendig ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb einer Dampfturbine anzugeben.
Erfindungsgemäß wird die auf die Strömungsmaschine gerichtete Aufgabe dadurch gelöst, dass die Strömungsmaschine ein Außengehäuse aufweist, in dem ein Rotor mit drei Schaufelbereichen drehgelagert ist, wobei einer der Schaufelbereiche ein in axialer Richtung gesehen innerer Bereich ist und die anderen in axialer Richtung gesehen äußere Bereiche sind, durch die im Betrieb ein Strömungsmedium entlang einer jeweiligen Strömungsrichtung strömt, wobei der innere Schaufelbereich von den äußeren Schaufelbereichen entlang des Rotors eingeschlossen ist und die Strömungsrichtungen in den äußeren Schaufelbereichen zueinander entgegengesetzt und vom inneren Schaufelbereich weggerichtet sind, und das Strömungsmedium nach Durchströmung des inneren Schaufelbereichs mit einem Rückströmkanal so auftrennbar ist, dass ein Teil des Strömungsmediums durch einen äußeren Schaufelbereich und ein zweiter Teil durch den anderen äußeren Schaufelbereich strömt, wobei dass das Außengehäuse zwischen dem äußeren Schaufelbereich und dem inneren Schaufelbereich eine Eintrittsöffnung aufweist und das Außengehäuse zwischen dem inneren Schaufelbereich und dem anderen äußeren Schaufelbereich eine Auslassöffnung aufweist, wobei die Auslassöffnung mit der Eintrittsöffnung über den Rückströmkanal strömungstechnisch miteinander verbunden ist.
Durch diese Konfiguration wird erstmals der Vorteil ausgenutzt, dass durch die oben beschriebene Anordnung der Schaufelbereiche ein ausströmendes Strömungsmedium mit nahezu identischen Kenngrößen wie Druck, Temperatur und Volumenstrom an den Außengehäuseenden austritt. Durch die niedrigen Austrittsparameter des Dampfes an den beiden Gehäuseenden ist die Anordnung von Dichtschalensystemen mit Dichtschalendampfrückführung in den Beschaufelungsbereich nicht erforderlich. Eine am Gehäuseumfang unsymmetrische Erwärmung durch Dichtschalendampf-Einleitung ist ausgeschlossen.
Die kompakte Ausführung der Strömungsmaschine führt zu weiteren Vorteilen in der Fertigung, die zu Material- und Zeitersparnissen führen. Die Material- und Zeitersparnis lässt sich unter anderem auf eine Ausführung der Bauteile in verkleinerter Form zurückführen. Die Verwendung von weniger Material führt zu Bauteilen geringerer Masse und dadurch zu besseren Anfahr- und Betriebsverhalten, insbesondere die Verkleinerung der letzten Schaufelstufen ist hier vorteilhaft.
Durch die geringere Masse ändert sich das Trägheitsmoment des Rotors. Dadurch verkürzt sich die Anfahrzeit. Vorteilhaft ist es, den Rückströmkanal mit einem Axial-Kompensator zur Kompensation von thermischen Ausdehnungen auszustatten. Dadurch werden temperaturbedingte Außengehäusespannungen vermieden. Der Axial-Kompensator kann beispielsweise aus einem Balg oder ähnlichem bestehen.
Das Auftreffen des Strömungsmediums auf die rotierenden Schaufelbereiche führt zu einer in axialer Richtung wirkenden Kraft. Diese Kraft wird Axialschub genannt. Zum Ausgleich des Axialschubs wird in vorteilhafter Weiterbildung der Rotor mit einem vor dem ersten Schaufelbereich angebrachten Wellenabsatz ausgeführt.
Ein wesentlicher Vorteil entsteht hierbei durch die einfache kostengünstige Integration im Gehäuse.
Zur Reduzierung von Leckagen zwischen den Außengehäuseenden und dem Rotor werden Dichtschalen mit Labyrinthdichtungen o.ä. angeordnet.
Die Strömungsmaschine weist bevorzugt einen Einströmbereich auf, in dem das Strömungsmedium in einem anschließenden Expansionsbereich durch eine Regelstufe entspannt wird. Der Druck des Strömungsmediums im Expansionsbereich wird durch eine Regelstufe auf einen Radraumdruck entspannt. Durch diese Regelungsmethode ist eine schnelle und präzise Regelungsmöglichkeit der Strömungsmaschine gegeben und führt zu einem guten Betriebsverhalten.
Eine vorteilhafte Weiterführung ist die Ausführung der Strömungsmaschine als Dampfturbine.
Die Strömungsmaschine kann vorteilhaft ausgeführt werden als Axialverdichter.
Die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Beschreibung eines Verfahrens zum Betrieb einer Dampfturbine. Die ein Außengehäuse aufweisende Dampfturbine ist mit einem drehgelagerten Rotor mit drei Schaufelbereichen ausgeführt, wobei einer der Schaufelbereiche ein in axialer Richtung gesehen innerer Bereich ist und die anderen in axialer Richtung gesehen äußere Bereiche sind, durch die im Betrieb ein Strömungsmedium entlang einer jeweiligen Strömungsrichtung strömt, wobei der innere Schaufelbereich von den äußeren Schaufelbereichen entlang des Rotors eingeschlossen ist und das Strömungsmedium nach Durchströmung des inneren Schaufelbereichs in zwei Teilströme aufgeteilt wird. Nach der Aufteilung in die zwei Teilströme strömt der eine Teilstrom durch einen äußeren Schaufelbereich, und der andere Teilstrom durch den anderen Schaufelbereich, wobei dass das Strömungsmedium durch eine an dem Außengehäuse zwischen dem inneren Schaufelbereich und dem anderen äußeren Schaufelbereich angeordneten Austrittsöffnung über einen Rückströmkanal zu einer zwischen dem äußeren Schaufelbereich und dem inneren Schaufelbereich angeordneten Eintrittsöffnung strömt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in schematischer Weise in den Zeichnungen dargestellt sind.
Für gleiche und funktionsidentische Bauteile werden durchgehend dieselben Bezugszeichen verwendet. Dabei zeigt:
Fig. 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine Strömungsmaschine 1 mit einem Außengehäuse 2, mehreren Innengehäusen 11, 12, 16, 21 und einem Rotor 3. Auf dem Rotor 3 sind vier Schaufelbereiche 4, 5, 6, 7 angeordnet. Die vier Schaufelbereiche sind in diesem Ausführungsbeispiel in zwei innere 5, 6 und zwei äußere Schaufelbereiche 4, 7 aufgeteilt. Die beiden äußeren Schaufelbereiche 4, 7 sind zueinander entgegengerichtet angeordnet und weisen von den inneren Schaufelbereichen 5, 6 weg. Vor dem ersten inneren Schaufelbereich 5 ist im Außengehäuse eine Einströmöffnung 8 enthalten. Von der Einströmöffnung 8 ausgehend in Richtung des ersten inneren Schaufelbereichs 5 ist eine Regelstufe 9 angebracht. Nach der Regelstufe 9 folgt in Richtung des ersten inneren Schaufelbereichs 5 ein Expansionsbereich 31. Im aufgeführten Ausführungsbeispiel sind im ersten inneren Schaufelbereich 5 Leitschaufeln 10 am Innengehäuse 11 angebracht. Auf dem ersten inneren Schaufelbereich 5 folgt ein weiterer innerer Schaufelbereich 6. Im zweiten inneren Schaufelbereich 6 sind weitere Leitschaufeln 13 an einem weiteren Innengehäuse 12 angebracht. Zwischen den zweiten inneren Schaufelbereich 6 und einem äußeren Schaufelbereich 7 sind eine oder mehrere Auslassöffnungen 14 enthalten. Am äußeren Schaufelbereich 7 sind weitere Leitschaufeln 15 an einem weiteren Innengehäuse 16 fixiert.
Zwischen einem weiteren äußeren Schaufelbereich 4 und des Einströmbereichs 8 befindet sich eine Einströmöffnung 32 im Außengehäuse 2, die strömungstechnisch über einen Rückströmkanal 19 mit der Auslassöffnung 14 verbunden ist. Im Bereich des äußeren Schaufelbereichs 4 befinden sich weitere Leitschaufeln 20 in einem weiteren Innengehäuse 21.
Der Rückströmkanal 19 ist mit einem Axial-Kompensator 22 ausgestattet um thermische Spannungen zwischen dem Rückströmkanal 19 und dem Außengehäuse 2 auszugleichen.
Der Rotor 3 ist mit einem Wellenabsatz 23 ausgeführt, um den Axialschub des Rotors 3 auszugleichen.
Zwischen dem Rotor 3 und dem Außengehäuse 2 sind Dichtschalen 24a und 24b angeordnet, um die Leckage aus der Strömungsmaschine zu reduzieren.
Im Betrieb strömt ein Strömungsmedium über die Einströmöffnung 8 in die Strömungsmaschine 1. Von dort gelangt das Strömungsmedium zu der Regelstufe 9, wo der Druck auf einen Radraumdruck entspannt wird. Anschließend strömt das Strömungsmedium durch den ersten Schaufelbereich 5. Im dargestellten Ausführungsbeispiel strömt das Strömungsmedium danach durch den zweiten Schaufelbereich 6. Nach diesem zweiten Schaufelbereich 6 wird das Strömungsmedium mittels einer oder mehrerer Öffnungen 14 in zwei Teilströme 18, 33 getrennt. Der Teilstrom 33 strömt durch den äußeren Schaufelbereich 7. Über den Rückströmkanal 19 strömt der zweite Teilstrom 18 in eine Einströmöffnung 32. Von dort strömt der Teilstrom durch den weiteren äußeren Schaufelbereich 4. Beide Teilströme gelangen nach der Durchströmung der äußeren Schaufelbereiche 4, 5 über Auslassöffnungen 17a, 17b aus der Strömungsmaschine 1.
Durch die Trennung des Strömungsmediums in zwei Teilströme 18, 33 und der dargestellten Anordnung der Schaufelbereiche 4, 5, 6 und 7 gelangen die einzelnen Teilströme des getrennten Strömungsmediums zu den äußeren Schaufelbereichen 4, 7 mit nahezu identischen Kenngrößen wie Druck, Temperatur und Volumenstrom. Ein Vorteil besteht dadurch in der symmetrischen Gehäuseerwärmung. Durch die niedrigen Zustandsgrößen des Strömungsmediums in diesen Bereichen treten geringere thermische Verformungen auf, die Betriebssicherheit der Strömungsmaschine nimmt zu. Vorteilhaft ist die Ausführung von Dichtschalen zwischen Außengehäuse und Rotor zur Reduzierung der Leckage ohne Rückführung von Dichtschalendampf zwischen die Beschaufelungsbereiche.
Durch die kompakte eingehäusige Ausführung entstehen weitere Vorteile in der Fertigung und im Anfahr- und Betriebsverhalten. Dabei wird ausgenutzt, dass Material eingespart werden kann. Insbesondere können die letzten Schaufelstufen in kleineren Größen gefertigt werden.
In Fig. 2 ist das Wirkprinzip der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine 1 dargestellt. Zum einen kann die Strömungsmaschine als Dampfturbine ausgeführt werden und zum anderen als Axialverdichter.
Bei einer Ausführung als Dampfturbine stellt sich das Wirkprinzip wie nachfolgend beschrieben dar. Über einen Dampferzeuger 25 gelangt Heißdampf 26 über eine Zuleitung 27 in ein Dampfturbineninneres 28. Nach Durchströmung durch die vorbeschriebenen Schaufelbereiche 4,5,6 und 7 im Dampfturbineninneren 28 wird der Heißdampf entspannt und strömt über eine Ausleitung 29 zu einem Kondensator 30. Die Rotation des Rotors 3 kann zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendet werden.
Bei einer Ausführung als Axialverdichter stellt sich das Wirkprinzip wie nachfolgend beschrieben dar. Durch erzwungenes Drehen des Rotors 3 wird Atmosphärenluft oder ähnliches in einer Eintrittsöffnung 30a über eine Zuleitung 29a in ein Axialverdichterinneres 28a zugeführt. Im Axialverdichterinneren 28a wird die Atmosphärenluft durch ein im Vergleich zur Dampfturbine umgekehrte Richtung der Rotation des Rotors 3 und damit der vorbeschriebenen Schaufelbereiche 4,5,6 und 7 verdichtet und gelangt über eine Leitung 27a hochverdichtet zu einem Ausgang 25a.