Es wird eine mehrstufige Dampfturbine (1) vorgeschlagen, die hinter ihrem ersten Stufenteil (7) ein zweites MD-Regelrad (27) aufweist, das im Überlastbetrieb mit Zusatzdampf (31) beaufschlagt werden kann. Die erfindungsgemäße Dampfturbine (1) kann sowohl im Teillastbereich als auch im Nennpunkt und bei hoher Überlast mit gleichmäßig hohem Wirkungsgrad betrieben werden.
Die Erfindung betrifft eine Dampfturbine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Dampfturbinen sollen über einen möglichst großen Leistungsbereich zuverlässig und mit konstant hohem Wirkungsgrad betrieben werden können. Diese Anforderungen können von Dampfturbinen herkömmlicher Bauart nicht in vollem Umfang erfüllt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dampfturbine bereitzustellen, die sowohl im Normalbetrieb als auch im Teillastbereich mit Leistungen, die deutlich unter der Nennleistung liegen, mit guten Wirkungsgraden betreibbar ist. Außerdem soll die erfindungsgemäße Dampfturbine auch im Betrieb mit Überlast einen guten Wirkungsgrad aufweisen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass im Überlastbetrieb zusätzlicher Dampf in die Dampfturbine eingebracht werden kann und mit diesem zusätzlichen Dampf das zweite MD-Regelrad beaufschlagt wird, kann die Leistung der erfindungsgemäßen Dampfturbine ohne nennenswerte Einbußen beim Wirkungsgrad signifikant erhöht werden.
Die Optimierung des Prozesses wird durch eine problemlose Mischung des wieder eingegliederten Dampfes nach dem MD-Regelrad beeinflusst. Es zeigt sich, dass bei hohen Frischdampfzuständen (HD-Dampf) der vierfache Massenstrom im Überlastbetrieb verarbeitet werden kann, ohne nennenswerte Einbußen im Wirkungsgrad bei normalen und Teillastbetrieben.
Dies wird vor allem dann erreicht werden, wenn eine geeignete Aufteilung der beiden Dampfströme vorgenommen wird und die Regelräder und Stufengruppen so ausgelegt werden, dass in der Kammer des MD-Regelrades die beiden Dampfströme annähernd die gleichen Dampfdaten besitzen. Unterschiedliche Dampftemperaturen aus den beiden Dampfströmen sind akzeptabel.
Die Konstruktion der Turbine mit dem optimierten zusätzlichen MD-Regelrad mit Zuspeisung über Düsen ist bei hohen Dampfpesometer sinnvoll, sodass das HD-Regelrad voll zum Einsatz kommen kann, allerdings ohne aufwendige Innengehäusekonstruktionen.
Die erfindungsgemäße Anordnung eines zweiten Regelrades mit den zugehörigen steuerbaren Düsen in einer Kammer zwischen dem ersten Stufenteil Teil der Dampfturbine und dem zweiten Stufenteil Teil der Dampfturbine kann sowohl bei Trommelturbinen als auch bei Kammerturbinen erfolgreich eingesetzt werden.
Die Erfindung kann bei Turbinen mit Gleichdruckbeschaufelung und bei Turbinen mit Überdruckbeschaufelung in den mehreren Stufen der Dampfturbine gleichermaßen erfolgreich eingesetzt werden.
Das HD-Regelrad sowie das MD-Regelrad kann sowohl einkränzig wie auch zweikränzig (Curtisrad) ausgeführt werden.
Die Konstruktion der Turbine mit HD-Regelrad und nachfolgendem Stufenteil ist oftmals optimal. Allerdings ist diese Konstruktion nicht erfindungsnotwendig. Das HD-Regelrad kann auch als Stufenteil mit einem eventuellen Innengehäuse und einer Drosselregelung im Bypass-/innerem Bypassbetrieb oder als Kombination aus beiden, HD-Regelrad und Bypassbetrieb im Innengehäuse ersetzt werden. Das Grundprinzip ändert sich deshalb nicht, da das MD-Impulsrad mit Düse über das Druckgefälle zwischen HD-Eintrittszustand zum gewählten, optimierten MD-Zustand zusätzlich bei Bedarf leistungssteigernd in Betrieb gesetzt werden kann. Das Prinzip des MD-Impulsrades mit Düsen kann auch als Nachrüstung oder Umbau in einer bestehenden Turbine ausgeführt werden.
Wenn die Dampfturbine im Überlastbetrieb gefahren werden soll, wird erfindungsgemäß die geforderte oder gewünschte Überlastleistung durch den erforderlichen HD-Dampf über die nachgeschaltete zusätzlich integrierte Impulsstufe eingebracht. Die Einspeisung dieses zusätzlichen HD-Dampfes erfolgt über herkömmliche Düsensteuerungen, sodass das Impulsrad wie ein freies Regelrad über die Düsen in Gleitdruckbetrieb zusätzliche Leistung einbringt. Die Zusatzleistung ergibt sich aus der Enthalpiedifferenz zwischen HD-Dampfzustand und dem örtlichen Dampfzustand nach dem MD-Regelrad und der zu optimierenden Dampfmenge.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarte Merkmale können sowohl einzeln als auch in Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Es zeigen:
Die Figur 1 zeigt eine Dampfturbine mit einem Gehäuse 3 und einem Rotor 5 im Längsschnitt. Die Dampfturbine 1 weist einen ersten Stufenteil 7 und einen zweiten Stufenteil 9 auf.
Jede der Stufen 7 und 9 besteht aus einer Gruppe von Laufschaufeln 11, die am Rotor 5 befestigt sind und einer Gruppe von Leitschaufeln 13, die üblicherweise über Leitschaufelträger am Gehäuse 3 der Dampfturbine 1 befestigt sind. In Figur 1 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht alle Laufschaufeln und nicht alle Leitschaufeln mit dem Bezugszeichen versehen worden. In Strömungsrichtung vor dem ersten Stufenteil 7 ist ein erstes Regelrad 15 am Rotor 5 befestigt. Die in Figur 1 nicht einzeln dargestellten Laufschaufeln des Regelrades 15 sind als Gleichdruckschaufeln ausgeführt.
In unmittelbarer Nähe des ersten Regelrades 15 ist ein Düsenring 17 vorgesehen, welcher über den Umfang verteilt mehrere Düsen 19 aufweist. Der Düsenring 17 wird über eine Frischdampfleitung 21 mit den Teilleitungen 21a und 21b mit Dampf beaufschlagt. In den Teilleitungen 21a und 21b ist jeweils ein erstes Regelventil 23 vorgesehen. Über die steuerbaren Düsen 19 wird der dem Düsenring 17 zugeführte Frischdampf auf das erste Regelrad 15 geleitet und gelangt anschließend in einen ersten Radraum 25, welcher vom Rotor 5 und vom Gehäuse 3 begrenzt wird.
Daran anschließend gelangt der Frischdampf (nicht dargestellt in Figur 1) in den ersten Stufenteil 7 der Dampfturbine 1 und wird dort entspannt.
Im Anschluss an den ersten Stufenteil 7 ist am Rotor 5 ein zweites MD-Regelrad 27 vorgesehen. Das MD-Regelrad 27 ist bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ebenfalls als Impulsrad ausgebildet. Das zweite MD-Regelrad 27 wird von einer oder mehreren Düsen 29, von denen in Figur 1 nur eine dargestellt ist, mit zusätzlichem Dampf beaufschlagt und wirkt dadurch wie eine Regelradstufe im Gleitdruckbetrieb. Dieser Zusatzdampf, welcher in Figur 1 durch einen Pfeil 31 angedeutet ist, vermischt sich vor dem Eintritt in den zweiten Stufenteil 9 mit dem teilweise entspannten Frischdampf, der aus dem ersten Stufenteil 7 ausgetreten ist. Dieser teilweise entspannte Frischdampf ist in Figur 1 mit dem Bezugszeichen 33 versehen worden. Der zwischen erstem Stufenteil 7 und zweitem Stufenteil 9 vorhandene Raum, in dem sich das zweite MD-Regelrad 27 befindet, wird im Folgenden als zweiter Radraum 35 bezeichnet.
Die Düse 29 ist ebenfalls steuerbar und kann beispielsweise über ein zweites Regelventil 37 oder eine nicht dargestellte Ventilgruppe optimiert werden. Über dieses zweite Regelventil 37 kann die Zufuhr von Zusatzdampf in die Dampfturbine 1 durch die Düse 29 geregelt werden.
Nachdem die gesamte Dampfmenge durch den zweiten Stufenteil geströmt ist und sich dabei entspannt hat, wird der Abdampf über einen Auslass 39 aus der Dampfturbine 1 abgeführt.
Im Normalbetrieb, das heißt wenn die Dampfturbine mit ihrer Nennleistung oder im Teillastbereich betrieben wird, ist das zweite Regelventil 37 oder die Ventilgruppe geschlossen und die Dampfturbine 1 arbeitet wie eine konventionelle Dampfturbine. Die Leistungsregelung der Dampfturbine 1 erfolgt ausschließlich über das erste Regelrad 15 beziehungsweise die Ansteuerung der Düsen 19, welche die Beaufschlagung des ersten Regelrades 15 steuern. Die Leistungsregelung der Dampfturbine 1 im Nenn- oder Normalbetrieb und im Teillastbetrieb ist hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt und wird deshalb im Zusammenhang mit der Erfindung nicht im Detail erläutert. Vorteilhaft an dieser Leistungsregelung ist der gleichbleibend gute Wirkungsgrad der Dampfturbine 1 bei Nennlast ebenso wie im Teillastbetrieb ohne erheblichen Konstruktionsmehraufwand wie z. B. Innengehäuse, Turbinen mit Mitteneinströmung oder ähnliches.
Wenn nun die Dampfturbine 1 mit Überlast betrieben werden soll, wird erfindungsgemäß das zweite Regelventil 37 oder die nicht dargestellte Ventilgruppe geöffnet, so dass Zusatzdampf über die Düse 29 auf das zweite Regelrad 27 strömen kann. Dabei wird die Düse 29 so ausgeführt und optimiert, dass der Dampfzustand des Zusatzdampfes 31 möglichst dem Dampfzustand des teilweise entspannten Frischdampfes 33 entspricht, so dass im zweiten Radraum 35 eine gute und problemlose Mischung dieser beiden Teildampfströme erfolgen kann. Der teilweise entspannte Frischdampf 33 kann wegen eines vorzusehenden größeren Abstandes zwischen zweitem MD-Regelrad 27 und dem Gehäuse 3 der Dampfturbine 1 das zweite MD-Regelrad 27 mehr oder weniger ungehindert umströmen.
Die Ventilströmverluste im Umströmungsbetrieb werden durch eine übliche Ventilationsschutzeinrichtung gemindert. Falls die Ventilationsschutzeinrichtung nicht ausreicht, wird ein Beimischen über das zweite Regelventil 37 empfohlen.
Beide Teildampfströme 31 und 33 strömen nun durch den zweiten Stufenteil 9 und geben dort Arbeit beziehungsweise Leistung an den Rotor 5 ab. Bei geeigneter Auslegung sowohl des ersten Stufenteils 7 und des zweiten Stufenteils 9 als auch des ersten Regelrades 15 mit seinen Düsen 19 und des zweiten Regelrades 27 mit seinen Düsen 29 kann im Überlastbetrieb der vierfache Dampfstrom verglichen mit dem Auslegungspunkt der Dampfturbine 1 umgesetzt werden. Dies führt zu einer entsprechend wesentlich verbesserten Leistungssteigerung der Dampfturbine, ohne nennenswerte Wirkungsgradeinbußen der Dampfturbine.
Deshalb ist es mit der erfindungsgemäßen Dampfturbine 1 möglich, die Dampfturbine 1 vom Teillastbetrieb über den Betrieb bei Nennlast bis zum Überlastbetrieb mit einem guten annähernd konstanten Wirkungsgrad zu betreiben.
In Figur 2 sind das zweite Regelrad 27 sowie die Düsen 29 schematisch in einer Ansicht von vorne dargestellt. Das zweite Regelrad 27 weist Laufschaufeln 39 auf, die in Figur 2 nur schematisch dargestellt sind. Bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei Düsen 29, die in der Literatur auch als Düsensegmente bezeichnet werden, so angeordnet, dass durch die Austritte der Düse 29 die Laufschaufel 39 des zweiten MD-Regelrades 27 mit zusätzlichem Dampf beaufschlagt werden können. Dazu ist zwischen einem Einströmkasten 41 und den Düsen 29 jeweils ein Ventil 43 vorgesehen. Je nachdem wie viele der Ventile 43 geöffnet werden, strömt eine mehr oder minder große Menge von Zusatzdampf über die Düsen 29 auf das zweite MD-Regelrad 27 und vermischt sich anschließend mit dem teilweise entspannten Frischdampf (siehe Bezugszeichen 33 in Figur 1).