Dampfturbinenwelle mit Wärmedämmschicht

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Dampfturbine umfassend eine Welle, wobei die Welle einen Kühldampfabschnitt aufweist, der zum Beströmen mit einem Kühldampf ausgebildet ist.

[0002] Dampfturbinen werden mit Frischdampfeintrittstemperaturen von bis zu 620°C eingesetzt. Es sind derzeit Bestrebungen da, die Dampfeintrittstemperatur auf 700°C zu erhöhen. Solch hohe Dampfeintrittstemperaturen erfordern geeignete Kühlungsmöglichkeiten für thermisch beanspruchte Bereiche in der Dampfturbine.

[0003] Eines der am höchsten thermisch beanspruchten Bereiche in einer Dampfturbine ist die Welle. Insbesondere ist der Dampfeintrittsbereich des Frischdampfs besonders thermisch belastet, da der Frischdampf an dieser Stelle auf die Welle direkt auftrifft. Die Wellen werden daher entweder mit einer geeigneten Wärmedämmschicht auf diesem Frischdampfabschnitt, der zum Beströmen mit Frischdampf ausgebildet ist, gefertigt. Alternativ dazu können geeignete Materialien verwendet werden, die den hohen Temperaturen ausgesetzt werden können. Allerdings sind solche Materialien vergleichsweise teuer.

[0004] Eine weitere Möglichkeit, eine Dampfturbinenwelle generell zu kühlen, besteht darin, dass entlang der Oberfläche der Dampfturbinenwelle ein Kühlmedium entlang geführt wird. Durch das vergleichsweise kältere Kühlmedium im Vergleich zum heißen Frischdampf wird die Oberfläche an einzelnen Abschnitten der Welle durch konvektive Strömung des Kühldampfes gekühlt. Allerdings ist nicht auszuschließen, dass solche Kühldampfsysteme während des Betriebs versagen, was dazu führen könnte, dass bei Wegfall des Kühlmediums stattdessen der heiße Frischdampf auf den zu kühlenden Abschnitt auftrifft, was dazu führt, dass dieser Abschnitt zu sehr thermisch beansprucht wird und dadurch beschädigt werden könnte.

[0005] In der EP 1 452 688 wird ein Dampfturbinenrotor offenbart, bei dem ein Verfahren eingesetzt wird, bei dem ein fluides Kühlmedium geführt wird.

[0006] Die EP 1 734 145 offenbart ein Schichtsystem für ein Bauteil mit einer Wärmedämmschicht und einer metallischen Erosionsschutzschicht.

[0007] In der EP 1 378 630 wird ein Rotor für eine Dampfturbine offenbart, wobei nahe zur Oberfläche des Rotors plattenförmige Schutzschichten angeordnet sind.

[0008] Die EP 0 894 942 offenbart eine Gasturbine mit einer Kühlungsmöglichkeit für einen Rotor.

[0009] Wünschenswert wäre es eine Möglichkeit zu haben, bei der ein plötzlicher Ausfall des Kühldampfs nicht zu einer unmittelbaren Beschädigung der Welle führt.

[0010] An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, eine Dampfturbine umfassend eine Welle anzugeben, bei der ein Versagen der Kühlmediumzuführung die Gefahr einer Beschädigung der Welle verringert.

[0011] Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Dampfturbine gemäß Anspruch 1.

[0012] Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, dass es bisher notwendig erschien, lediglich die Bereiche der Welle mit einer Wärmedämmschicht auszubilden, die unmittelbar mit dem heißen Frischdampf in Berührung kommen bzw. die Bereiche einer Welle mit einer Wärmedämmschicht auszubilden, die thermisch beansprucht sind. Die Erfindung löst sich nun von diesem Gedanken und schlägt vor, an Bereichen der Turbinenwelle, die zunächst nur mit Kühlmedium beaufschlagt werden und dadurch nicht unbedingt eine Wärmedämmschicht an dieser Stelle erforderlich ist, dennoch mit einer Wärmedämmschicht auszubilden. Bei einem Ausfall des Kühlmediums kann es sein, dass der Frischdampf in den Kühldampfabschnitt strömt, wodurch dieser Kühldampfabschnitt thermisch zu sehr belastet wird.

[0013] Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, auch diesen Kühldampfabschnitt mit einer Wärmedämmschicht auszubilden. Somit wird eine Kombination einer Wärmedämmschicht mit einer aktiven Kühlung mittels eines Kühlmediums vorgeschlagen. Der Vorteil ist u. a. darin zu sehen, dass dadurch eine Reduktion der thermischen Gradienten in einem transienten Betriebszustand erreicht wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Welle vor einer thermischen Überbelastung bei einem kurzzeitigen Ausfall des Kühlmediums geschützt wird. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass mit der Auskleidung mit einer Wärmedämmschicht auch Kühlmedien verwendet werden können, die beispielsweise einen Dampfzustand aufweisen, die ohne Wärmedämmschicht nicht als Kühlmedium verwendet werden könnten.

[0014] Somit kann ein kälterer Kühldampf eingesetzt werden, ohne dass zulässige Beanspruchungen überschritten werden.

[0015] In einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Welle als einflutige oder zweiflutige Welle zum Einsatz in einer Hochdruck-Teilturbine ausgebildet. Gerade in Hochdruck-Teilturbinen wird ein Dampf mit einer hohen Eintrittstemperatur als Frischdampf verwendet. Daher mussten für die Hochdruck-Teilturbinen geeignete Kühlmöglichkeiten gefunden werden, was erfindungsgemäß mit der Wärmedämmschicht erreicht wird.

[0016] Vorteilhafterweise wird die Welle als eine ein- oder zweiflutige Welle zum Einsatz in einer Mitteldruck-Teilturbine ausgebildet. Es werden ebenso Mitteldruck-Teilturbinen mit Frischdampftemperaturen beströmt, die den Temperaturen des Frischdampfes bei Hochdruck-Teilturbinen entspricht. Daher müssten ebenso Mitteldruck-Teilturbinen geeignet gekühlt werden bzw. vor einer Überhitzung geschützt werden, was erfindungsgemäß mit der Wärmedämmschicht erreicht wird.

[0017] Die Wärmedämmschicht umfasst eine aufgespritzte oder durch PVD-Verfahren aufgebrachte keramische Schicht, die in Form einer Mehrlagen-Beschichtung aufgebracht ist.
Auf die Dampfturbinenkomponente wird zunächst eine so genannte Haftvermittlerschicht (bond coating) aufgebracht. Eine bekannte Haftvermittlerschicht wäre beispielsweise MCrAlY (-20Cr-12Al) oder Aluminiumlegierungen.
Auf die Haftvermittlerschicht wird eine so genannte Oxidationsschicht aufgebracht, die zum Beispiel aus Al₂O₃ besteht. Des Weiteren wird auf die Oxidationsschicht die Wärmedämmschicht aufgebracht, die eine thermische Isolation bewirkt.

[0018] Als Wärmedämmschicht können beispielsweise yttriumstabilisierte Zirkonoxid-Schichten verwendet werden. Zudem weist die Wärmedämmschicht einen spezifischen Wärmedurchgang von weniger als zwei Watt pro Meter und Kelvin

[0019] Die Wärmedämmschicht kann ein- oder mehrlagig aufgebaut sein und eine Oxidkeramik umfassen.

[0020] Alternativ dazu kann die Wärmedämmschicht mit mindestens 50 Massenprozent aus einem Oxid eines oder mehrerer Elemente der 3. Haupt- und Nebengruppe (beispielsweise Borgruppe, Elemente 5, 13, 21, 31, 39, 49, 57, 81, 89) oder der 4. Haupt- und Nebengruppe (Kohlenstoffgruppe, Elemente 6, 14, 22, 32, 40, 50, 72, 82, 104) ausgebildet sein. Insbesondere ist eine Wärmedämmschicht aus yttriumstabilisiertem Zirkonoxid (ZrO₂ + (x%)Y₂O₃) mit einem Zirkonoxidanteil zwischen 0% und 15%.

[0021] Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei Komponenten mit ähnlicher Wirkungsweise mit denselben Bezugszeichen versehen sind.

Es zeigen:

[0022] 

Figur 1

eine Querschnittsansicht einer Hochdruck-Teilturbine,

Figur 2

eine Querschnittsansicht eines Teiles einer zweiflutigen Mitteldruck-Teilturbine,

Figur 3

eine Querschnittsansicht eines Teiles einer Dampfturbine.

[0023] Die Figur 1 zeigt eine Dampfturbine, die als Hochdruck-Teilturbine ausgebildet ist. Die Dampfturbine 1 weist ein Außengehäuse 2 und ein Innengehäuse 3 auf sowie einen um eine Rotationsachse 4 drehbar gelagerte Welle 5 auf. Die Welle 5 weist verschiedene Laufschaufeln 7 auf, wobei in der Figur 1 lediglich drei Laufschaufeln mit dem Bezugszeichen 7 versehen sind. Das Innengehäuse 3 umfasst mehrere Leitschaufeln 6, wobei in der Figur 1 lediglich drei Leitschaufeln mit dem Bezugszeichen 6 versehen sind. Im Betrieb strömt ein Frischdampf in den Einströmbereich 8 und strömt in einer Strömungsrichtung 9. Die thermische Energie des Frischdampfs wird dabei in Rotationsenergie der Welle 5 umgewandelt. Im Bereich des Einströmbereichs 8 ist eine Diagonalstufe 11 ausgebildet, die zum einen den Frischdampf direkt vom Einströmbereich 8 in den Strömungskanal 19 leitet und andererseits einen Kühldampfabschnitt 10, der zum Beströmen mit einem Kühldampf ausgebildet ist, trennt. Die Möglichkeit der Beströmung des Kühldampfabschnitts 10 ist in der Figur 1 nicht näher dargestellt. Es ist denkbar, dass der Kühldampf über eine externe Leitung in den Kühldampfabschnitt 10 geführt bzw. geleitet wird. Im Betrieb wird der Bereich 12 thermisch stark belastet. Durch die Beströmung mit Kühldampf in den Kühldampfabschnitt 10 ist allerdings eine Überhitzung wirksam vermieden. Allerdings ist nicht auszuschließen, dass die Kühldampfzuführung wegen einer Störung nicht erfolgt, was dann zu einer Überhitzung führen könnte. Die Welle weist daher eine Wärmedämmschicht 13 im Kühldampfabschnitt 10 auf.

[0024] Die Figur 2 zeigt eine zweiflutige Mitteldruck-Teilturbine 14. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist lediglich eine Laufschaufel mit dem Bezugszeichen 7 und eine Leitschaufel mit dem Bezugszeichen 6 versehen. Der Einströmbereich 8 ist derart, dass der Frischdampf in einen Strömungskanal in die rechte Richtung abgelenkt wird und ein Frischdampfbereich in die linke Richtung abgelenkt wird. Im die Welle 5 vor einer Überhitzung bei einem Ausfall des Kühlmediums zu schützen, ist im Kühldampfabschnitt 10 eine Wärmedämmschicht 13 ausgebildet. Dadurch wird die Welle vor Überhitzung geschützt, wenn Frischdampf im Bereich 15 in den Kühldampfabschnitt 10 eindringt.

[0025] Die Figur 3 zeigt einen Ausschnitt einer Dampfturbine. Der Kühldampfabschnitt 10 ist unterhalb einer Ableiteinrichtung 16 angeordnet. Durch die Ableiteinrichtung 16 wird der Frischdampf zum Strömungskanal 19 umgelenkt. Somit wird der unterhalb der Ableiteinrichtung 16 befindliche,Bereich der Welle 5 weniger thermisch belastet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist lediglich eine Laufschaufel mit dem Bezugszeichen 7 dargestellt. Ein Frischdampf strömt in der Strömungsrichtung 9 an der Laufschaufel 7 vorbei und des Weiteren strömt ein Kühlmedium 17 entlang des Kühldampfabschnitts 10. Die gestrichelte Linie 18 zeigt den Zustand, wenn die Kühlmediumzufuhr wegen einer Störung unterbrochen ist. In diesem Fall kann Frischdampf aus dem Strömungskanal 19 über einen Spalt 20 in den Kühldampfabschnitt 10 eindringen. Zur Vermeidung einer Überhitzung dieses Abschnitts 10 wird dieser mit der Wärmedämmschicht 13 ausgekleidet.

[0026] Als Wärmedämmschicht wird yttriumstabilisiertes Zirkonoxid (ZrO₂ + (X%)Y₂O₃) mit einem Zirkonoxidanteil zwischen 0% und 15% verwendet.

Ansprüche

1. Dampfturbine (1)
umfassend eine Welle (5) und eine Ableiteinrichtung (16), wobei die Welle einen Kühldampfabschnitt (10) aufweist, der zum Beströmen der Wellenoberfläche mit einem Kühldampf ausgebildet ist,
wobei der Kühldampfabschnitt (10) unterhalb der Ableiteinrichtung (16) angeordnet ist,
wobei die Ableiteinrichtung (16) im Dampfeintrittsbereich angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wellenoberfläche im Kühldampfabschnitt (10) mit einer Wärmedämmschicht (13) beschichtet ist.

2. Dampfturbine (1) nach Anspruch 1,
wobei die Welle als einflutige oder zweiflutige Welle zum Einsatz in einer Hochdruck-Teilturbine ausgebildet ist.

3. Dampfturbine (1) nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die Welle als einflutige oder zweiflutige Welle zum Einsatz in einer Mitteldruck-Teilturbine ausgebildet ist.

4. Dampfturbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Wärmedämmschicht aus einem yttriumstabilisierten Zirkonoxid gebildet ist.

Claims

1. Steam turbine (1)
comprising a shaft (5) and a diverter device (16),
wherein the shaft has a cooling steam section (10) which is designed to cause cooling steam to flow over the shaft surface,
wherein the cooling steam section (10) is arranged below the diverter device (16),
wherein the diverter device (16) is arranged in the steam inlet region,
characterized in that
the shaft surface is coated with a thermal barrier coating (13) in the cooling steam section (10).

2. Steam turbine (1) according to Claim 1,
wherein the shaft is designed as a single-flow or double-flow shaft for use in a high-pressure turbine section.

3. Steam turbine (1) according to Claim 1 or 2,
wherein the shaft is designed as a single-flow or double-flow shaft for use in an intermediate-pressure turbine section.

4. Steam turbine (1) according to one of the preceding claims,
wherein the thermal barrier coating is formed from an yttrium-stabilized zirconium oxide.

Revendications

1. Turbine ( 1) à vapeur
comprenant un arbre ( 5) et un dispositif ( 16) de dérivation, l'arbre ayant un tronçon ( 10) de vapeur de refroidissement, qui est constitué pour qu'une vapeur de refroidissement passe à la surface de l'arbre, le tronçon (10) de vapeur de refroidissement étant disposé en dessous du dispositif ( 16) de dérivation,
dans laquelle le dispositif ( 16 ) de dérivation est disposé dans la partie d'entrée de la vapeur,
caractérisée en ce que
la surface de l'arbre est, dans le tronçon ( 10 ) de vapeur de refroidissement, revêtue d'une couche (13) de calorifugeage.

2. Turbine ( 1 ) à vapeur suivant la revendication 1,
dans laquelle l'arbre est constitué sous la forme d'un arbre à un passage ou à deux passages en vue d'être utilisé dans une sous-turbine de haute pression.

3. Turbine ( 1 ) à vapeur suivant la revendication 1 ou 2,
dans laquelle l'arbre est constitué sous la forme d'un arbre à un passage ou à deux passages en vue d'être utilisé dans une sous-turbine de moyenne pression.

4. Turbine ( 1 ) suivant l'une des revendications précédentes,
dans laquelle la couche de calorifugeage est en un oxyde de zirconium stabilisé par de l'yttrium.

Zeichnung