Dampfturbine

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Dampfturbine (10), umfassend ein Turbinengehäuse (12) mit einer darin drehbar um eine Turbinenachse (14) gelagerten Turbinenwelle (16), wobei entlang der Turbinenwelle (16) eine Mehrzahl von mit Wasserdampf durchströmbaren Stufengruppen (18-1 bis 18-4) vorgesehen sind, die jeweils aus einer wellenfesten Laufschaufelstruktur (20) und einer damit zusammenwirkenden gehäusefesten Leitschaufelstruktur (22) gebildet sind, so dass in den nacheinander von Wasserdampf durchströmten Stufengruppen jeweils eine druck- und temperaturreduzierende Expansion des Wasserdampfes erfolgt. Um bei einer solchen Dampfturbine (10) mit einem Auskondensieren von Wasser im Dampfströmungsverlauf verbundene Probleme zu vermindern, ist gemäß der Erfindung wenigstens eine (18-1 bis 18-3) der Stufengruppen (18-1 bis 18-4) zur Abgabe von Nassdampf mit einem Wasseranteil von mehr als 5% ausgelegt, wobei im Dampfströmungsverlauf hinter dieser Stufengruppe (18-1 bis 18-3) ein Wasserseparator (24-1 bis 24-3) angeordnet ist, über welchen der Wasserdampf nach Reduktion des Wasseranteils auf weniger als 3% an eine nachfolgende (18-2 bis 18-4) der Stufengruppen (18-1 bis 18-4) abgegeben wird.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dampfturbine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Derartige Dampfturbinen sind aus dem Stand der Technik bekannt und können beispielsweise in Kernkraft-, Geothermie-, Solarthermie-, Biomasse- oder anderen Kraftwerken vorteilhaft zur Erzeugung von elektrischer Energie eingesetzt werden.

[0003] Lediglich beispielhaft sei auf die DE 197 01 020 A1 verwiesen in welcher eine Dampfturbine der gattungsgemäßen Art beschrieben ist. Diese bekannte Dampfturbine umfasst ein Turbinengehäuse mit einer darin drehbar um eine Turbinenachse gelagerten Turbinenwelle ("Turbinenläufer"), wobei entlang der Turbinenwelle mehrere von Wasserdampf durchströmbare Stufengruppen vorgesehen sind, die jeweils aus einer wellenfesten Laufschaufelstruktur und einer damit kämmenden gehäusefesten Leitschaufelstruktur gebildet sind. Im Turbinenbetrieb erfolgt in den nacheinander von Wasserdampf durchströmten Stufengruppen jeweils eine druck- und temperaturreduzierende Expansion des Wasserdampfes, um Energie aus dem Wasserdampf zum Drehantrieb der Turbinenwelle zu nutzen.

[0004] Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades der Energieumwandlung ist es bekanntlich von Vorteil, wenn in der Turbine eine sehr weitgehende Expansion des Wasserdampfes stattfindet, bei welcher eine möglichst große Temperaturdifferenz zwischen zugeführtem und abgeführtem Wasserdampf besteht. Die Verwendung von höheren Frischdampfdrücken und -temperaturen führt in der Praxis jedoch oftmals zu dem Problem einer teilweise Auskondensation von Wasser im Dampfströmungsverlauf noch innerhalb des Turbinengehäuses. Die Folge sind Schaufelerosion (z. B. so genannte "Tröpfchenschlagerosion") und Erosionskorrosion insbesondere in im Strömungsverlauf weiter hinten liegenden Turbinenbereichen, z. B. in "Niederdruckbereichen".

[0005] Bei der aus der DE 197 01 020 A1 bekannten Dampfturbine wird dieses Problem durch eine so genannte "Zwischenüberhitzung" gelöst. Hierbei wird an wenigstens einer Stelle im Dampfströmungsverlauf bereits teilweise expandierter Wasserdampf nicht unmittelbar an eine nachfolgende Stufengruppe abgegeben, sondern zunächst von der Turbine weg zu einem separat von der Turbine installierten Dampferhitzer geleitet, um nach geeigneter Aufheizung wieder in die Turbine zurückgeleitet zu werden.

[0006] Diese nach dem Stand der Technik bekannte Lösung mit wenigstens einem außerhalb der Turbine betriebenen Dampferhitzer erfordert einen hohen anlagetechnischen Aufwand sowie einen zusätzlichen Energieeinsatz (z. B. Brennstoffenergie).

[0007] Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Dampfturbine der eingangs genannten Art die mit einem Auskondensieren von Wasser im Dampfströmungsverlauf verbundenen Probleme zu vermindern, um in dieser Weise insbesondere auf eine aufwendige Zwischenüberhitzung verzichten zu können.

[0008] Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Dampfturbine nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

[0009] Bei der erfindungsgemäßen Dampfturbine ist wenigstens eine der Stufengruppen zur Abgabe von Nassdampf mit einem Wasseranteil von mehr als 5%, bevorzugt im Bereich von 5 bis 15% ausgelegt. Die betreffende Stufengruppe ermöglicht damit vorteilhaft eine hohe Effizienz der Energieumwandlung. Zur Vermeidung der ansonsten zu erwartenden Probleme ist im Dampfströmungsverlauf hinter dieser Stufengruppe ein Wasserseparator angeordnet, über welchen der Wasserdampf nach Reduktion des Wasseranteils auf weniger als 3%, bevorzugt weniger als 2%, oder sogar etwa 0%, an eine nachfolgende der Stufengruppen abgegeben wird.

[0010] Die erfindungsgemäße Dampfturbine kann insbesondere zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels eines davon angetriebenen elektrischen Generators verwendet werden, beispielsweise in einem Kraftwerk der eingangs bereits genannten Art.

[0011] Einer im Dampfströmungsverlauf ersten Stufengruppe, beispielsweise als Teil einer "Hochdruckstufe" der Dampfturbine bzw. einer diese Turbine enthaltenden Dampfturbinenanlage, kann Frischdampf mit einem Druck von z. B. mehr als 100 bar und einer Temperatur von z. B. mehr als 400 °C zugeführt werden. Am Ende der im Dampfströmungsverlauf letzten Stufengruppe kann der expandierte Dampf einen Druck von z. B. weniger als 1 bar (also Unterdruck) und eine Temperatur von z. B. weniger als 50 °C aufweisen.

[0012] In einer vorteilhaften Ausführungsform der Turbine ist keine Zwischenüberhitzung im Dampfströmungsverlauf vorgesehen, um den damit verbundenen anlagentechnischen Aufwand zu vermeiden.

[0013] Die Dampfturbine kann zwei, drei, vier oder noch mehr Stufengruppen umfassen, wobei im Dampfströmungsverlauf hinter einer oder mehreren Stufengruppen jeweils (wenigstens) ein Wasserseparator mit der oben erläuterten Funktion angeordnet sein kann.

[0014] In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Wasserseparator vollständig innerhalb des Turbinengehäuses untergebracht.

[0015] Der Wasserseparator kann eine "Dampfsiebanordnung" zum Abfangen von Wassertröpfchen aufweisen. Eine solche, bevorzugt innerhalb des Turbinengehäuses untergebrachte Dampfsiebanordnung kann gegenüber dem Turbinengehäuse und/oder gegenüber der Turbinenwelle radial abgedichtet sein, um im Turbinenbetrieb eine Strömung von Nassdampf "an der Dampfsiebanordnung vorbei" zu vermeiden.

[0016] In einer anderen Ausführungsform ist der Wasserseparator teilweise außerhalb des Turbinengehäuses angeordnet. Bevorzugt sind hierbei jedoch sämtliche außerhalb des Turbinengehäuses befindlichen Teile des Wasserseparators baulich mit dem Turbinengehäuse zusammengefasst, also z. B. in angeflanschten, angeschweißten oder als Gehäuseangüsse einstückig mit dem Gehäusekorpus verbundenen Rohrleitungen untergebracht bzw. von derartigen Rohrleitungen gebildet. Sämtliche Teile des Wasserseparators sind bevorzugt innerhalb eines (gedachten) zylindrischen Bauraumes untergebracht, dessen axiale Länge der axialen Ausdehnung der Turbinenwelle innerhalb des Turbinengehäuses entspricht und dessen radialer Durchmesser kleiner ist als das 4-fache, bevorzugt kleiner als das 3-fache, des maximalen Durchmessers eines Turbinengehäusekorpus (Turbinengehäuse ohne Wassersepartorkomponenten).

[0017] Auch bei der teilweisen Ausführung des Wassersepartors außerhalb des Turbinengehäuses kann dieser eine Dampfsiebanordnung zum Abfangen von Wassertröpfchen aufweisen. Die Dampfsiebanordnung kann z. B. außerhalb des Turbinengehäuses installiert und mit wenigstens einer Dampfzuleitung und wenigstens einer Dampfrückleitung mit dem Innenraum des Turbinengehäuses verbunden sein.

[0018] Für die konstruktive Gestaltung des Wasserseparators bzw. einer hierfür verwendeten "Dampfsiebanordnung" gibt es verschiedene Möglichkeiten.

[0019] In einer Ausführungsform ist beispielsweise eine Dampfsiebanordnung umfassend eine Mehrzahl von (hintereinandergeschalteten) Sieben vorgesehen, wobei die Sieböffnungen jedes Siebes mit Versatz zu den Sieböffnungen eines in der Dampfsiebanordnung stromaufwärts unmittelbar benachbarten Siebes angeordnet sind.

[0020] Die Funktionsweise einer solchen Siebanordnung weicht hierbei erheblich von der "herkömmlichen Funktionsweise" einer Mehrzahl hintereinander angeordneter Siebe ab: Die herkömmliche Funktionsweise eines einzelnen Siebes besteht darin, bei der Durchströmung des Siebes diejenigen Partikel abzufangen, welche aufgrund ihrer Abmessungen nicht durch die Sieböffnungen passen. Eine solche Funktionsweise scheitert im vorliegenden Anwendungsfall (Aussieben von Wassertröpfchen) daran, dass erstens die in der Dampfströmung befindlichen Wassertröpfchen aufgrund ihrer Formveränderlichkeit einfach durch die Sieböffnungen "hindurchgedrückt" würden und zweitens die Sieböffnungen extrem klein sein müssten (um eine gewisse Zurückhaltungsfunktion für die Wassertröpfchen bereit zu stellen), was nachteiligerweise zu einem sehr großen Strömungswiderstand führen würde.

[0021] Demgegenüber beruht die Funktion der vorstehend erwähnten Dampfsiebanordnung, die aus wenigstens zwei Sieben mit zueinander versetzten Sieböffnungen besteht, darauf, dass der Dampf nach Durchströmung der Dampföffnungen eines ersten (stromaufwärtigen) Siebes einer Strömungsumlenkung unterworfen ist, um zu den in Querrichtung versetzt angeordneten Sieböffnungen eines zweiten (stromabwärtigen) Siebes zu gelangen. Entscheidend ist hierbei nun, dass bei diesem gekrümmten Verlauf der Dampfströmung zwischen den beiden Sieben die im Dampf enthaltenen Wassertröpfchen aufgrund ihrer Massenträgheit einen tendenziell weniger stark gekrümmten Strömungsweg durchlaufen und somit auf die massive Fläche des zweiten Siebes (zwischen dessen Sieböffnungen) auftreffen. Diese massiven Siebflächen können jedoch mit geeigneten Ablaufkonstruktionen ausgestattet werden, um die aufgetroffenen Wassertröpfchen abzuführen und somit deren dampfströmungsgetriebene Mitnahme zu den Sieböffnungen des zweiten Siebes zu vermeiden.

[0022] Wenn die Siebe der Dampfsiebanordnung jeweils als eine mit Sieböffnungen versehene Siebplatte ausgebildet sind, so können geeignete Wasserablaufkanäle im Inneren dieser Siebplatten vorgesehen werden, über welche das aufgetroffene Wasser abgeführt werden kann. Bei dem allerersten, d. h. am weitesten stromaufwärts angeordneten Sieb ist eine derartige Ablaufkonstruktion zumeist entbehrlich. Wesentlich ist vielmehr, dass das in Strömungsrichtung zweite Sieb und ggf. noch weitere in der Dampfsiebanordnung folgende Siebe jeweils mit einer geeigneten Ablaufkonstruktion ausgestattet sind.

[0023] In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Dampfsiebanordnung drei (oder noch mehr) hintereinander angeordnete Siebe umfasst. Besonders einfach kann hierbei vorgesehen sein, dass das erste und das dritte Sieb identisch ausgebildet sind oder zumindest mit einer identischen Anordnung von Sieböffnungen versehen sind, wohingegen das zweite (mittlere) Sieb eine gegenüber den anderen beiden Sieben versetzte Anordnung von Sieböffnungen aufweist.

[0024] Unabhängig von der konkreten konstruktiven Ausgestaltung des Wasserseparators ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass aus dem Nassdampf absepariertes Wasser aus der Turbine herausführt und anderer Stelle einem Wasser-Wasserdampf-Kreislauf wieder zugeführt wird. Bei diesem Kreislauf kann in an sich bekannter Weise der im Dampfströmungsverlauf am Ende der Turbine herausgeführte Abdampf z. B. zunächst zu einem Kondensator und von dort weiter zu einem Dampferhitzer geleitet werden, um vom Dampferhitzer mit hohem Druck und hoher Temperatur bereitgestellten Frischdampf insbesondere zu Beginn des Dampfströmungsverlaufes der Turbine (an einem "Frischdampfanschluss") zuzuführen.

[0025] In einer bevorzugten Ausführungsform sind mehrere Wasserseparatoren der genannten Funktion vorgesehen, die jeweils zwischen zwei im Dampfströmungsverlauf der Turbine unmittelbar aufeinanderfolgenden Stufengruppen angeordnet sind.

[0026] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:

Fig. 1

eine schematische Schnittansicht zur Veranschaulichung einer Ausführung einer Dampfturbine gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels,

Fig. 2

eine schematische Schnittansicht zur Veranschaulichung einer Ausführung einer Dampfturbine gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels,

Fig. 3

ein schematisches Prinzipbild zur beispielhaften Veranschaulichung einer Dampfexpansion in einer Dampfturbine,

Fig. 4

eine schematische Schnittansicht einer Dampfsiebanordnung, welche zur Ausbildung eines z. B. bei den Dampfturbinen gemäß der Fig. 1 und 2 einsetzbaren Wasserseparators geeignet ist, und

Fig. 5

ein Detail aus Fig. 4

[0027] Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Dampfturbine 10, umfassend ein Turbinengehäuse 12 mit einer darin drehbar um eine Turbinenachse 14 gelagerten Turbinenwelle 16.

[0028] Entlang der Turbinenwelle 16 sind mehrere von Wasserdampf durchströmbare Stufengruppen 18-1, 18-2, 18-3 und 18-4 vorgesehen, die im dargestellten Ausführungsbeispiel in der Figur nacheinander von links nach rechts durchströmt werden.

[0029] An einem (nicht dargestellten) Frischdampfeinlass wird Frischdampf mit hohem Druck und hoher Temperatur in die Turbine 10 eingeleitet und nach der Durchströmung der Stufengruppen 18-1 bis 18-4 mit niedrigem Druck und niedriger Temperatur über einen (nicht dargestellten) Dampfauslass wieder aus der Turbine 10 herausgeführt. In an sich bekannter Weise kann dieser Abdampf sodann über einen Kondensator und einen Dampferzeuger wieder aufbereitet als Frischdampf für die Turbine 10 verwendet werden.

[0030] Jede der Stufengruppen 18-1 bis 18-4 ist aus einer drehfest mit der Turbinenwelle 16 verbundenen Laufschaufelstruktur und einer damit zusammenwirkenden und stationär zum Turbinengehäuse 10 gehaltenen Leitschaufelstruktur gebildet.

[0031] Üblicherweise besteht eine Laufschaufelstruktur hierbei aus einer Reihe von axial voneinander beabstandeten Laufschaufelkränzen mit radial von der Turbinenwelle 16 abstehenden Laufschaufeln 20, und besteht eine Leitschaufelstruktur aus einer Reihe von axial voneinander beabstandeten Leitschaufelkränzen mit mehreren radial von stationären Leitschaufelträgern nach innen ragenden Leitschaufeln 22, so dass im Dampfströmungsverlauf einer Stufengruppe abwechselnd Laufschaufeln und Leitschaufeln von Wasserdampf umströmt werden.

[0032] In den nacheinander von Wasserdampf durchströmten Stufengruppen 18-1 bis 18-4 erfolgt jeweils eine druck- und temperaturreduzierende Expansion des Wasserdampfes.

[0033] Eine Besonderheit der Dampfturbine 10 besteht darin, dass die Stufengruppen 18-1, 18-2 und 18-3 zur Abgabe von Nassdampf mit einem Wasseranteil von beispielsweise etwa 10% (und dementsprechend einem Dampfanteil von etwa 90%) ausgelegt sind, wobei im jeweiligen weiteren Dampfströmungsverlauf hinter diesen Stufengruppen 18-1, 18-2, 18-3 jeweils ein "Wasserseparator" 24-1, 24-2 bzw. 24-3 angeordnet ist, mittels welchem dem Wasserdampf an diesen Stellen jeweils (flüssiges) Wasser entzogen wird. Über den jeweiligen Wasserseparator wird der Wasserdampf somit mit einem reduziertem Wasseranteil (und dementsprechend erhöhtem Dampfanteil) an die im Dampfströmungsverlauf jeweils nachfolgende (18-2, 18-3 und 18-4) der Stufengruppen 18-1 bis 18-4 abgegeben.

[0034] Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Dampfturbine 10 derart ausgelegt und betrieben, dass der Wasseranteil des stromaufwärts eines jeweiligen der Wasserseparatoren 24-1, 24-2 bzw. 24-3 befindlichen Wasserdampfes von etwa 10% nach Passieren dieses Wasserseparators auf der stromabwärtigen Seite auf einen wesentlich kleineren Wert reduziert wird. Bevorzugt erfolgt eine Reduzierung um wenigstens einen Faktor 3, weiter bevorzugt um wenigstens einen Faktor 5. In einem Extremfall wird der Wasseranteil praktisch auf 0% reduziert, also "Trockendampf" erzeugt.

[0035] Jeder der Wasserseparatoren 24-1 bis 24-3 gemäß des dargestellten Ausführungsbeispiels trocknet den Wasserdampf mehr oder weniger stark, so dass stromabwärts davon vor allem der energetisch hochwertige Dampf für die weitere Expansion in der Turbine 10 weitergeführt wird.

[0036] Das von den Wasserseparatoren 24-1 bis 24-3 entzogene Wasser kann beispielsweise aus der Turbine 10 herausgeführt und einer Wiederaufbereitung zugeführt werden (nicht dargestellt), etwa um dieses im Wasser-Dampf-Kreislauf einer betreffenden Kraftwerksanlage wiederzuverwenden.

[0037] Vorteilhaft ermöglicht der dargestellte Aufbau der Turbine 10 einen Verzicht auf aufwendige externe Einrichtungen zur so genannten Zwischenüberhitzung, wie diese im Stand der Technik zur Vermeidung von zu hohen Wasseranteilen insbesondere in niederdruckseitigen Turbinenbereichen eingesetzt werden. Wenn bei der dargestellten Turbine 10 dennoch eine Zwischenüberhitzung vorgesehen wird, so können die hierfür verwendeten Einrichtungen vorteilhaft weniger aufwendig gestaltet werden.

[0038] Es versteht sich, dass die konkrete Anzahl und Anordnung bzw. Durchströmungsreihenfolge der Stufengruppen 18-1 bis 18-4 und der Wasserseparatoren 24-1 bis 24-3 lediglich beispielhaft zu verstehen sind und modifiziert werden können. Gegebenenfalls, je nach Auslegung der einzelnen Stufengruppen, können somit z. B. Wasserseparatoren auch nur hinter einigen bzw. denjenigen Stufengruppen angeordnet sein, bei welchen eine Abgabe von Nassdampf zu erwarten ist. Dies ist bei gängigen Turbinenauslegungen zumeist lediglich in so genannten Mitteldruckstufen und vor allem Niederdruckstufen der Fall, bzw. bei so genannten "Sattdampfprozessen".

[0039] Bei manchen Dampfturbinenkonstruktionen sind derartige Stufen oftmals baulich voneinander separiert und über Dampfleitungen miteinander verbunden. In diesem Fall kann die beispielhaft in Fig. 1 gezeigte Dampfturbine 10 dementsprechend auch lediglich eine solche Mitteldruckstufe oder Niederdruckstufe (einer insgesamt größeren Dampfturbinenanlage) darstellen.

[0040] Die Wasserseparatoren 24-1 bis 24-3 sind im dargestellten Beispiel vollständig innerhalb des Turbinengehäuses 12 untergebracht. In diesem Fall werden allenfalls Wasserabfuhrleitungen durch das Turbinengehäuse 12 hindurch nach außen geführt (nicht dargestellt). Jeder der Wasserseparatoren 24-1 bis 24-3 umfasst eine Dampfsiebanordnung zum Abfangen von Wassertröpfchen aus der Dampfströmung. Eine spezielle konstruktive Ausgestaltung einer hierfür geeigneten Dampfsiebanordnung wird weiter unten mit Bezug auf die Fig. 4 und 5 noch beschrieben.

[0041] Um eine Dampfströmung "an den Wasserseparatoren vorbei" zu vermeiden, sind diese in Radialrichtung einerseits gegenüber dem Turbinengehäuse 12 und andererseits gegenüber der Turbinenwelle 16 abgedichtet.

[0042] Zusammenfassend ist mit der Dampfturbine 10 vorteilhaft eine "interne Dampfnässeseparation" realisiert, mittels welcher insbesondere bei Verwendung von niedrigeren Frischdampfdrücken und -temperaturen unzulässig hohe Abdampffeuchten bei der Expansion, und in der Folge Schaufelerosion und ähnliche Probleme vermieden werden können. Etwaige Schutzmaßnahmen an den Turbinenbauteilen, wie z. B. ein Härten der Schaufeln oder ein Heizen der Leitschaufeln, sind entbehrlich bzw. können mit geringerem Aufwand vorgesehen werden.

[0043] Bei der nachfolgenden Beschreibung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Dampfturbine werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch einen kleinen Buchstaben "a" zur Unterscheidung der Ausführungsform. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bereits beschriebenen Ausführungsbeispiel eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung des vorangegangenen Ausführungsbeispiels verwiesen.

[0044] Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Dampfturbine 10a zur Veranschaulichung von Varianten hinsichtlich der Ausgestaltung bzw. Anordnung von Wasserseparatoren.

[0045] Die Turbine 10a besitzt im Wesentlichen den gleichen Aufbau und die gleiche Funktion wie die bereits beschriebene Turbine 10 gemäß Fig. 1. So besitzt die Turbine 10a ebenfalls drei Wasserseparatoren 24a-1, 24a-2 und 24a-3, wobei für die Wasserseparatoren 24a-1 und 24a-2 jedoch abweichend vom oben beschriebenen Ausführungsbeispiel eine teilweise Anordnung von Komponenten dieser Wasserseparatoren außerhalb eines eigentlichen Turbinengehäuses 12a gewählt wurde.

[0046] Der Wasserseparator 24a-1 ist über eine relativ kurze Rohrleitungsanordnung 26a-1 mit dem Turbinengehäuse 12a verbunden (Prinzip: Rohrentnahme).

[0047] Der Wasserseparator 24a-2 ist ebenfalls unmittelbar an das Turbinengehäuse 12a gekoppelt, dies jedoch über eine Leitungsverbindung, die durch einen Gehäuseanguss (z. B. "Entnahmedom") gebildet ist.

[0048] Alternativ zur Installation von Dampfsieben innerhalb des dampfdurchströmten Innenraumes des Turbinengehäuses (vgl. Fig. 1) ist eine Installation derartiger Dampfsiebe oder dergleichen somit auch über angeflanschte bzw. angeschweißte Rohrleitungen (vgl. Wasserseparator 24a-1) oder in Gehäuseanbauten oder einstückig mit dem Turbinengehäuse verbundenen Einrichtungen (vgl. Wasserseparator 24a-2) möglich.

[0049] Fig. 3 veranschaulicht in einem Prinzipbild ein Beispiel für den Verlauf der Dampfexpansion in einer erfindungsgemäßen Dampfturbine.

[0050] In der Darstellung von Fig. 3 ist nach rechts die Entropie S und nach oben die Enthalpie H des Dampfes aufgetragen.

[0051] Die mit x=1,00 und x=0,90 bezeichneten Linien sind in dieser Auftragung die Orte entsprechend einem Dampfanteil x von 100% (Trockendampf) bzw. 90% (Nassdampf mit 10% Wasseranteil).

[0052] Die in der Figur mit p1 bis p5 bezeichneten Linien sind die Isobaren für verschiedene Drücke p1 bis p5. Im dargestellten Beispiel besitzen diese Drücke folgende Werte: p1 = 50 bar, p2 = 15 bar, p3 = 2 bar, p4 = 0,20 bar und p5 = 0,05 bar.

[0053] Die Zustandsänderungen des Wasserdampfes beim Durchlaufen von nacheinander im Dampfströmungsverlauf angeordneten Stufengruppen (vgl. z. B. die Stufengruppen 18-1 bis 18-4 in Fig. 1) sind in Fig. 3 durch die Pfade E1 bis E4 bezeichnet.

[0054] Zwischen den Teilexpansionen E1 bis E4 erfolgen jeweils Dampftrocknungen durch Wasserseparatoren, mittels welcher jeweils der Dampfanteil x von 90% auf 100% erhöht wird, wie dies in Fig. 3 ebenfalls durch eingezeichnete Pfade symbolisiert ist.

[0055] Im dargestellten Beispiel sind diese "Entfeuchtungsprozesse" jeweils isobar vorgesehen, was vorteilhaft unnötige Energieverluste durch diese Entfeuchtungsprozesse vermeidet.

[0056] Nachfolgend wird noch beispielhaft eine zur Ausbildung der erwähnten Wasserseparatoren geeignete "Dampfsiebanordnung" beschrieben.

[0057] Fig. 4 ist eine schematische Schnittansicht einer Dampfsiebanordnung 30, die im dargestellten Beispiel aus drei hintereinander angeordneten Siebplatten 32-1, 32-2 und 32-3 gebildet ist.

[0058] Jede der Siebplatten 32-1 bis 32-3 ist mit einer regelmäßigen Anordnung von Sieböffnungen versehen, von denen in der Figur einige mit 34 bezeichnet sind. Die Durchströmung der Dampfsiebanordnung 30 erfolgt in der Figur von links nach rechts (Durchströmungsrichtung). Strömungspfade des Dampfes sind durch Pfeile symbolisiert, wobei die gestrichelten Pfeile die Strömungspfade des Dampfanteiles und die durchgezogenen Pfeile die Strömungspfade des Wasseranteils (Kondensat) symbolisieren.

[0059] Wie es im linken Teil von Fig. 4 dargestellt ist, tritt an den Sieböffnungen 34 zunächst Nassdampf enthaltend einen "trockenen" Dampfanteil und einen Wasseranteil (Kondensat) in die Anordnung 30 ein. Hinter diesen Sieböffnungen 34 der ersten Siebplatte 32-1 erfolgt eine Umlenkung der Dampfströmung in Querrichtungen (mit einer Komponente orthogonal zur Durchströmungsrichtung), da die Sieböffnungen 34 der nachfolgenden Siebplatte 32-2 mit einem Versatz gegenüber den Sieböffnungen 34 der ersten Siebplatte 32-1 angeordnet sind.

[0060] Bei dieser Strömungsführung können die den Wasseranteil bildenden Wassertröpfchen der Beschleunigung bzw. Umlenkung der Dampfströmung im Zwischenraum zwischen den Siebplatten 32-1 und 32-2 nicht bzw. nicht in dem Ausmaß folgen, in dem der trockene Dampfanteil abgelenkt wird. Die Geschwindigkeitsvektoren von Dampf und Wassertröpfchen bilden sich in Betrag und Richtung unterschiedlich aus.

[0061] Während der Dampf (gestrichelte Pfeile) die Öffnungen 34 "problemlos" durchströmt, trifft ein erheblicher Anteil der Wassertröpfchen (durchgezogene Pfeile) auf die als Prallflächen fungierenden massiven Oberflächenabschnitte der in Durchströmungsrichtung jeweils nächsten Siebplatte auf.

[0062] Fig. 5 zeigt diese Strömungsverhältnisse nochmals anhand eines Details aus Fig. 4. In Fig. 5 symbolisiert die Länge der eingezeichneten Pfeile den Betrag der Geschwindigkeitsvektoren. Daraus ist ersichtlich, dass die Wassertröpfchen eher geradlinig und mit eher konstanter Geschwindigkeit durch die Sieböffnungen 34 hindurchströmen und weiter auf die Prallfläche der nachfolgenden Siebplatte auftreffen, wohingegen die Geschwindigkeit des Dampfes sich im Bereich der Sieböffnungen 34 jeweils beschleunigt und hinter den Sieböffnungen 34 jeweils wieder etwas verlangsamt.

[0063] Um eine Mitnahme des auf die Prallflächen aufgetroffenen Wassers durch die Sieböffnungen der selben Siebplatte (z. B. 32-2) zu vermeiden sind die Prallflächen mit geeigneten (in den Figuren nicht dargestellten) Ablaufkonstruktionen ausgestattet.

[0064] In einer bevorzugten Ausführungsform sind an den Prallflächen hierfür Einmündungen an denjenigen Stellen vorgesehen, an denen das Wasser bevorzugt auftrifft, so dass dieses auftreffende Wasser über die Einmündungen in Ablaufkanäle gelangt, die im Inneren der Siebplatten 32-2 und 32-3 ausgebildet sind. Über diese Kanäle kann eine gewisse "Absaugung" durch eine Differenz derjenigen Drücke realisiert sein, die einerseits an den Einmündungen und andererseits an den Ausgängen der Kanäle herrschen. Die Kanäle können ausgangsseitig z. B. in einen gemeinsamen Wassersammelkanal einmünden, der wiederum mit dem Eingang einer Wasserpumpe verbunden ist, um das abgefangene Wasser abzuleiten.

[0065] Bei Einsatz der Dampfsiebanordnung 30 bei einer Dampfturbine der in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Art kann das abgefangene Wasser so aus dem jeweiligen Turbinengehäuse herausgeführt und an anderer Stelle des Wasser-Wasserdampf-Kreislaufes wieder zugeführt werden.

Ansprüche

1. Dampfturbine (10), umfassend ein Turbinengehäuse (12) mit einer darin drehbar um eine Turbinenachse (14) gelagerten Turbinenwelle (16), wobei entlang der Turbinenwelle (16) eine Mehrzahl von mit Wasserdampf durchströmbaren Stufengruppen (18-1 bis 18-4) vorgesehen sind, die jeweils aus einer wellenfesten Laufschaufelstruktur (20) und einer damit zusammenwirkenden gehäusefesten Leitschaufelstruktur (22) gebildet sind, so dass in den nacheinander von Wasserdampf durchströmten Stufengruppen jeweils eine druck- und temperaturreduzierende Expansion des Wasserdampfes erfolgt,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine (18-1 bis 18-3)der Stufengruppen (18-1 bis 18-4) zur Abgabe von Nassdampf mit einem Wasseranteil von mehr als 5% ausgelegt ist, wobei im Dampfströmungsverlauf hinter dieser Stufengruppe (18-1 bis 18-3) ein Wasserseparator (24-1 bis 24-3) angeordnet ist, über welchen der Wasserdampf nach Reduktion des Wasseranteils auf weniger als 3%, insbesondere weniger als 2%, an eine nachfolgende (18-2 bis 18-4) der Stufengruppen (18-1 bis 18-4) abgegeben wird.

2. Dampfturbine (10) nach Anspruch 1, wobei der Wasserseparator (24-1 bis 24-3) vollständig innerhalb des Turbinengehäuses (12) untergebracht ist.

3. Dampfturbine (10) nach Anspruch 2, wobei der Wasserseparator (24-1 bis 24-3) wenigstens eine Dampfsiebanordnung umfasst.

4. Dampfturbine (10) nach Anspruch 3, wobei die Dampfsiebanordnung mit Radialabdichtungen einerseits gegenüber dem Turbinengehäuse (12) und andererseits gegenüber der Turbinenwelle (16) abgedichtet ist.

5. Dampfturbine (10) nach Anspruch 1, wobei der Wasserseparator (24-1 bis 24-3) teilweise außerhalb des Turbinengehäuses (12) angeordnet ist.

6. Dampfturbine (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei aus dem Nassdampf absepariertes Wasser aus der Turbine (10) herausführt und anderer Stelle einem Wasser-Wasserdampf-Kreislauf wieder zugeführt wird.

7. Dampfturbine (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die den Nassdampf abgebende Stufengruppe (18-1 bis 18-3) diesen mit einem Wasseranteil im Bereich von 5 bis 15% abgibt.

8. Dampfturbine (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Wasserseparator (24-1 bis 24-3) den Wasseranteil auf weniger als 1% reduziert.

Zeichnung