Axial beaufschlagte Dampfturbine, insbesondere in zweiflutiger Ausführung

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Kühlungsmöglichkeit für eine Welle (20) einer Dampfturbine (2), wobei die Drallkühlung derart ausgebildet wird, dass über ein Hohlraum (29) die Drallströmung zu einer niedrigen Druckstufe geführt wird und die Wellenabschirmung (21) über Dichtungen (15) gegenüber der Welle (20) abgedichtet ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine axial beaufschlagte Dampfturbine, insbesondere in zweiflutiger Ausführung, mit einer im Bereich der Dampfeinströmung angeordneten ringförmigen Wellenabschirmung, welche die Welle mit Abstand umschließt und mit den radial inneren Enden der Leitschaufeln des ersten Leitschaufelkranzes verbunden ist, wobei in die Wellenabschirmung Düsen eingebracht sind, welche in Drehrichtung der Welle gesehen in den zwischen Welle und Wellenabschirmung gebildeten Ringraum einmünden.

[0002] Zur Steigerung des Wirkungsgrades einer Dampfturbine trägt die Verwendung von Dampf mit höheren Drücken und Temperaturen bei, insbesondere sogenannte überkritische Dampfzustände, mit einer Temperatur von beispielsweise über 550°C. Die Verwendung von Dampf mit einem solchen Dampfzustand stellt erhöhte Anforderungen an eine entsprechend beaufschlagte Dampfturbine, insbesondere an die an den Einströmbereich des Aktionsfluides grenzenden Komponenten der Dampfturbine, wie Gehäusewandung und Turbinenwelle. Somit werden Anstrengungen unternommen, um die Eintrittstemperatur des Dampfes in die Dampfturbine zu erhöhen. Andererseits wirkt sich die Erhöhung der Eintrittstemperatur des Dampfes negativ auf die Festigkeitseigenschaften der verwendeten Materialien aus. Um die verfügbaren Materialien, vor allem das für die Welle verwendete Material auch bei höheren Temperaturen einsetzen zu können, ist eine Kühlung erforderlich. Eine bekannte Kühlung ist die sogenannte Drallkühlung, die unter einer Diagonalstufe einer symmetrischen, das heißt zweiflutig ausgeführten Mitteldruckdampfturbine eingesetzt wird.

[0003] Die sogenannte Drallkühlung ist eine passive Kühlungsmethode, mit der die Welle unterhalb der Einströmung einer doppelflutigen Mitteldruckteilturbine gekühlt werden kann. Hierzu wird ein Teil des Frischdampfeintrittstromes in die Nut zwischen der Welle und einem Abschirmring geleitet. Der Abschirmring weist daher Bohrungen auf, die den Dampf tangential in Rotationsrichtung in einen Ringraum führen. Der Dampf wird vor und innerhalb der Bohrung beschleunigt, bis er am Eintritt in den Ringraum einen Druck erreicht, der in erster Näherung dem Druck hinter dem Leitrad entspricht. Die Beschleunigung des Dampfes ist mit einer Absenkung der statischen Temperatur verbunden. Ein Teil dieser Temperaturabsenkung geht durch Aufstauung, aber auch durch die geringere Umfangsgeschwindigkeit bei größeren Durchmessern der Grenzschichtströmung an der Wellenoberfläche wieder verloren. Die Wirksamkeit dieses Kühlverfahrens hängt zwingend vom Druck hinter dem diagonalen Leitrad ab. Da dieser Druck nicht ohne Verlust an Wirkungsgrad beliebig tief abgesenkt werden kann, ist die mit der Drallkühlung erreichbare Wirkung limitiert.

[0004] An dieser Stelle setzt die Erfindung an.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist es die Kühlung der Welle weiter zu verbessern.

[0006] Gelöst wird diese Aufgabe durch eine axial beaufschlagte Dampfturbine, insbesondere in zweiflutiger Ausführung, mit einer im Bereich der Dampfeinströmung angeordneten ringförmigen Wellenabschirmung, welche die Welle mit Abstand umschließt, und mit den radial inneren Enden der Leitschaufeln des ersten Leitschaufelkranzes verbunden ist, wobei in die Wellenabschirmung Düsen eingebracht sind, welche in Drehrichtung der Welle gesehen in den zwischen Welle und Wellenabschirmung gebildeten Ringraum einmünden, wobei der Ringraum in seiner axialen Erstreckung durch seine zwischen der Wellenabschirmung und der Welle angeordneten ersten und einer zweiten Dichtung begrenzt ist, wobei eine Vorrichtung vorgesehen ist, die eine strömungstechnische Verbindung zwischen dem Ringraum und einer niedrigen Druckstufe herstellt.

[0007] Die Erfindung verfolgt daher das Konzept, den Kühldampf nicht wie bisher dem Hauptmassenstrom wieder zuzuleiten, sondern über eine Vorrichtung an eine niedrigere Druckstufe anzubinden. Durch diese Maßnahme wird vorteilhaft kein extern zugeführter Kühldampf benötigt. Desweiteren kann diese Kühlmöglichkeit vorteilhafterweise selbstregulierend ausgeführt werden, wobei die Verluste gegenüber einer externen Kühlung geringer sind. Darüber hinaus ist die Kühlungsmöglichkeit kostengünstig ausführbar.

[0008] Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass der Kühldampf immer ansteht und somit die Kühlung nicht ausfallen kann.

[0009] Die Erfindung verfolgt den Ansatz, den in den Ringraum einströmenden Dampf mit einer niedrigen Druckstufe strömungstechnisch zu verbinden. Die niedrige Druckstufe weist einen Druck auf, der geringer ist als der Druck im Ringraum. Dadurch wird eine Strömung aufrecht erhalten, die zu einer verbesserten Kühlungswirkung auf der Wellenoberfläche im Einströmbereich der Mitteldruckteilturbine führt.

[0010] Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0011] So ist in einer ersten vorteilhaften Weiterbildung die Vorrichtung als mit einem Hohlraum ausgebildete Leitschaufel des ersten Leitschaufelkranzes ausgeführt, wobei über den Hohlraum die strömungstechnische Verbindung zwischen dem Ringraum und der niedrigen Druckstufe realisiert ist.

[0012] Durch diese Maßnahme sind keine separaten strömungstechnischen Verbindungen erforderlich, die durch weitere Einbauten realisiert werden könnten. Die ohnehin vorhandene Leitschaufel des ersten Leitschaufelkranzes wird hohl ausgeführt und über diesen Hohlraum die strömungstechnische Verbindung realisiert. Dies stellt eine kostengünstige und vergleichsweise einfache Maßnahme dar, den Dampf aus dem Ringraum strömungstechnisch mit einer niedrigen Druckstufe zu verbinden.

[0013] In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die niedrige Druckstufe als eine stromabwärts angeordnete Stufe in der Beschaufelung ausgebildet.

[0014] Die niedrige Druckstufe ist somit eine bestimmte Stelle im Strömungskanal, in der ein bestimmter Druck herrscht, der für die aufrechtzuerhaltende Kühlströmung notwendig ist. Die strömungstechnische Verbindung kann hierbei über die hohl ausgeführte Leitschaufel und im Innengehäuse ausgeführte Bohrungen oder Leitungen realisiert werden.

[0015] In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die niedrige Druckstufe als eine Anzapfung ausgebildet.

[0016] Hier wird somit eine ohnehin vorhandene Anzapfung ausgenutzt, um die strömungstechnische Verbindung zur niedrigen Druckstufe herzustellen. Diese vorteilhafte Lösung ist vergleichsweise einfach zu realisieren. Die strömungstechnische Verbindung, beispielsweise im Innengehäuse, muss lediglich mit der Anzapfstelle verbunden werden.

[0017] In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die niedrige Druckstufe als Abdampfraum ausgebildet.

[0018] Dies stellt eine weitere alternative Möglichkeit dar, eine geeignete niedrige Druckstufe zu finden. Hierbei bietet sich der Abdampfraum einer Mitteldruck-Teilturbine an. Die strömungstechnische Verbindung kann hierbei ebenfalls konstruktiv einfach realisiert werden.

[0019] In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die erste und zweite Dichtung als Labyrinthdichtung ausgeführt.

[0020] Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.

[0021] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht maßgeblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zu Erläuterungen dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der in der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen.

[0022] Es zeigen:

Figur 1

eine schematische Querschnittsansicht eines Einströmbereichs,

Figur 2

eine Querschnittansicht einer axial beaufschlagten Dampfturbine.

[0023] Die Figur 1 zeigt im Querschnitt einen Einströmbereich 1 einer axial beaufschlagten Dampfturbine. Die Figur 2 zeigt eine Querschnittsansicht einer zweiflutigen Dampfturbine. Die axial beaufschlagte Dampfturbine 2 ist insbesondere in zweiflutiger Ausführung realisiert. Die axial beaufschlagte Dampfturbine umfasst im Wesentlichen einen um eine Rotationsachse 3 drehbar gelagerten Rotor 4. Der Rotor 4 weist eine Anzahl an Turbinenlaufschaufeln 5 auf, die auf der Oberfläche des Rotors 4 angeordnet sind. Der Übersichtlichkeit wegen sind lediglich vier Bezugszeichen 5 in der Figur 2 zu sehen. Um den Rotor 4 ist ein Innengehäuse 6 angeordnet, das Turbinenleitschaufeln 7 an einer inneren Oberfläche 8 trägt. Die Laufschaufeln 5 und die Leitschaufeln 7 bilden einen Strömungskanal 9. Die in Figur 1 und Figur 2 dargestellte Ausführungsform der Dampfturbine 2 ist in einer zweiflutigen Ausführung realisiert. Das bedeutet, dass in dem Einströmbereich 1 ein Frischdampf einströmt und in einen ersten Strömungskanal 10 und in einen zweiten Strömungskanal 11 umgelenkt wird.

[0024] Der Bereich des ersten Strömungskanals 10 wird auch als erste Flut 12 und der Bereich des zweiten Strömungskanals 11 wird auch als zweite Flut 13 bezeichnet. Die Dampfturbine 2 umfasst mindestens eine sich entlang einer Wellenachse X erstreckenden und in einer Drehrichtung um die Wellenachse X drehbaren Welle 20, wobei die Dampfturbine 2 einen Leitschaufelkranz mit Leitschaufeln 22a, 22b aufweist.

[0025] In der Figur 1 und der Figur 2 ist die erste Flut 12 und die zweite Flut 13 nicht vollständig dargestellt. Die erste Flut 12 und die zweite Flut 13 können unsymmetrisch zueinander ausgebildet sein.

[0026] Um das Innengehäuse 6 ist ein Außengehäuse 14 angeordnet.

[0027] Das Außengehäuse 14 umschließt das Innengehäuse 6 und den Rotor 4. Daher muss an den Kontaktstellen zwischen dem Rotor 4 und dem Außengehäuse 14 Dichtungen angeordnet werden, auf die hier nicht näher eingegangen wird.

[0028] Im Betrieb strömt der Dampf in Richtung des Pfeiles 16 radial nach innen durch einen ringförmigen Einströmkanal 17, welcher durch die Leitschaufelträger 18a bzw. 18b der beiden spiegelbildlich zur axialen Mitte M angeordneten Fluten 12, 13 gebildet ist. Die Schaufeln und der halbe Ring sind als ein Teil ausgebildet. Der in radialer Richtung einströmende Dampf wird dann unter Umlenkung in die axiale Richtung auf beide Fluten 12, 13 gleichmäßig aufgeteilt, wobei jedoch ein geringer Teilstrom in einen Ringraum 19 eingeleitet wird, welcher zwischen der Welle 20 und einer dazu konzentrischen Wellenabschirmung 21 gebildet ist und durch eine entsprechende Formgebung von Welle 20 und Wellenabschirmung 21 von der axialen Mitte M ausgehend nach beiden Seiten hin etwas ansteigt. Die Wellenabschirmung 21 ist an den radial inneren Enden der Leitschaufeln 22a, 22b des jeweils ersten Leitschaufelkranzes beider Fluten 12, 13 befestigt. Die Leitschaufeln 22a, 22b sind ihrerseits in die Leitschaufelträger 18a, 18b eingesetzt. In die Wellenabschirmung 21 sind nun insgesamt vier oder mehr über den Umfang gleichmäßig verteilt angeordnete strömungstechnische Kühlungsverbindungen 23 als Bohrungen angebracht. Die strömungstechnischen Kühlungsverbindungen 23 sind als Düsen 23a ausgebildet. Die Düsen 23a sind so ausgebildet, dass sie in der Drehrichtung der Welle 20 tangential in den zwischen Welle 20 und Wellenabschirmung 21 gebildeten Ringraum 19 einmünden. Da der von dem einströmenden Dampf abgezweigte Teilstrom durch die Düsen 23a tangential in den Ringraum 19 eintritt, bildet sich dort eine Drallströmung aus. Die Drallströmung teilt sich dann in zwei von der axialen Mitte M ausgehende Drallströmungen auf, welche in der Figur 1 durch die Pfeile 24a und 24b angedeutet sind und die Welle 20 entlang bis zu den Laufschaufeln 25a bzw. 25b des jeweils ersten Laufschaufelkranzes der beiden Fluten 12, 13 strömen.

[0029] Die Wellenabschirmung 21 verhindert einerseits ein unmittelbares Anströmen der Oberfläche der Welle 20 durch den in Richtung des Pfeiles 16 radial einströmenden heißen Dampf. Andererseits entspricht die Grenzschichttemperatur der Drallströmungen 24a und 24b in dem Ringraum 19 der durch die Erhöhung der kinetischen Energie abgesenkten statischen Temperatur des Dampfes, vermehrt um den Stautemperaturanteil der Relativgeschwindigkeit zwischen Drallströmung 24a, 24b und Wellenumfangsgeschwindigkeit. Der Stautemperaturanteil ist dabei gering, da die genannt Relativgeschwindigkeit durch die gewählte Ausführung der Düsen 23a ebenfalls vergleichsweise gering ist.

[0030] Die in Figur 1 dargestellte Ausführungsform zeigt links von der axialen Mitte M die erfindungsgemäße Ausführung und rechts von der axialen Mitte M die Ausführung gemäß dem derzeitigen Stand der Technik. Der Ringraum 19 ist in seiner axialen Erstreckung 26 durch eine zwischen der Wellenabschirmung 21 und der Welle 20 angeordneten ersten Dichtung 27 und einer nicht dargestellten zweiten Dichtung begrenzt. Die zweite Dichtung ist allerdings wie aus der Figur 1 zu entnehmen spiegelbildlich zur axialen Mitte M ausgeführt. Die Erfindung zeichnet sich durch eine Vorrichtung 28 aus, die eine strömungstechnische Verbindung zwischen dem Ringraum 19 und einer niedrigen Druckstufe herstellt. Die Wellenabschirmung 21 wird hierbei an den Enden so ausgeführt, dass die Drallströmung 24a, 24b mittels der ersten und zweiten Dichtung 27 umgelenkt wird zu der Vorrichtung 28. Die Vorrichtung 28 ist als eine mit einem Hohlraum 29 ausgebildete Leitschaufel 22a, 22b des ersten Leitschaufelkranzes ausgeführt. Über den Hohlraum 29 erfolgt die strömungstechnische Verbindung zwischen dem Ringraum 19 und der niedrigen Druckstufe.

[0031] In einer alternativen Ausführungsform kann der Dampf statt durch die Leitschaufel durch eine Leitung abgeführt werden.

[0032] Die Wellenabschirmung 21 ist zweiteilig ausgeführt, wobei ein erster Teil 30,der auch als zweigeteilte Diagonalstufe ausgeführt sein kann, mit der ersten Leitschaufel 22a, 22b verbunden ist (in Richtung des Pfeiles 16 gesehen) und danach ein zweiter Teil 31, der als Abschirmung bezeichnet werden kann, angeordnet ist, der an den ersten Teil 30 gekoppelt ist.

[0033] Die erste Dichtung 27 und die zweite Dichtung 28 sind als Labyrinthdichtung ausgeführt.

[0034] Andere Dichtungstechniken können ebenfalls eingesetzt werden.

[0035] In Figur 2 sind verschiedene Alternativen dargestellt, mit denen der Ringraum 19 mit einer niedrigeren Druckstufe verbunden werden kann. Eine erste Möglichkeit ist dadurch gegeben, dass die niedrigere Druckstufe als eine stromabwärts angeordnete Stufe in der Beschaufelung ausgebildet ist. Zu dieser ersten niedrigen Druckstufe 32 wird eine strömungstechnische Verbindung hergestellt, die mit dem Buchstaben A gekennzeichnet ist. Die mit B gekennzeichnete strömungstechnische Verbindung stellt eine Verbindung mit einer als Anzapfung ausgeführten zweiten niedrigen Druckstufe 33 dar. Bei der Anzapfung handelt es sich um eine Öffnung im Strömungskanal 9, aus der Dampf abgeführt wird.

[0036] Eine weitere Alternative, die als dritte niedrige Druckstufe bezeichnet werden kann, ist der Abdampfraum 34. Diese Verbindung wird mit C gekennzeichnet.

[0037] Die mit D gekennzeichnete Verbindung stellt eine weitere Möglichkeit dar, den Ringraum 19 mit der Anzapfung strömungstechnisch zu verbinden.

[0038] Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Ansprüche

1. Axial beaufschlagte Dampfturbine (2),
insbesondere in zweiflutiger Ausführung,
umfassend mindestens eine sich entlang einer Wellenachse (X) erstreckenden und in einer Drehrichtung um die Wellenachse (X) drehbaren Welle (20),
umfassend einen Leitschaufelkranz mit Leitschaufeln (22a, 22b),
umfassend eine im Bereich der Dampfeinströmung (1) angeordnete ringförmige Wellenabschirmung (21), welche die Welle (20) unter Bildung eines Ringraums (19) zwischen Welle (20) und Wellenabschirmung (21) in einem axialen Bereich der Dampfeinströmung (1) entlang einer Umfangsrichtung (CD) umschließt, und mit den radial inneren Enden der Leitschaufeln (22a, 22b) des ersten Leitschaufelkranzes verbunden ist,
wobei in die Wellenabschirmung (21) strömungstechnische Kühlungsverbindungen (23)eingebracht sind, welche in Drehrichtung der Welle (20) gesehen tangential in den zwischen Welle (20) und Wellenabschirmung (21) gebildeten Ringraum (19) einmünden,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Ringraum (19) in seiner axialen Erstreckung durch eine zwischen der Wellenabschirmung (21) und der Welle (20) angeordneten ersten und einer zweiten Dichtung (27) begrenzt ist,
wobei eine Vorrichtung (29) vorgesehen ist, die eine strömungstechnische Verbindung (A, B, C) zwischen dem Ringraum (9) und einer niedrigen Druckstufe (33) herstellt.

2. Axial beaufschlagte Dampfturbine (2) nach Anspruch 1, wobei die niedrige Druckstufe (23) im Betrieb einen Druck aufweist, durch die eine Strömung von dem Ringraum (19) zur niedrigen Druckstufe erzeugt wird.

3. Axial beaufschlagte Dampfturbine (2) nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die strömungstechnischen Kühlungsverbindungen (23) als Düsen (23a) ausgebildet sind.

4. Axial beaufschlagte Dampfturbine (2) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
wobei die Vorrichtung (29) als mit einem Hohlraum (29) ausgebildete Leitschaufel (22a, 22b) des ersten Leitschaufelkranzes ausgeführt ist und über den Hohlraum (29) die strömungstechnische Verbindung (A, B, C) zwischen dem Ringraum (19) und der niedrigeren Druckstufe (33) realisiert ist.

5. Axial beaufschlagte Dampfturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die niedrigere Druckstufe als eine stromabwärts angeordnete Stufe in der Beschaufelung ausgebildet ist.

6. Axial beaufschlagte Dampfturbine (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
wobei die niedrigere Druckstufe (33) als eine Anzapfung ausgebildet ist.

7. Axial beaufschlagte Dampfturbine (2) nach einem der Ansprüche Anspruch 1 bis 4,
wobei die niedrigere Druckstufe (33) als Abdampfraum ausgebildet ist.

8. Axial beaufschlagte Dampfturbine (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die erste und zweite Dichtung (27) als Labyrinthdichtung ausgebildet sind.

Zeichnung