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dabei das Aussengehäuse gekühlt. Da dieser Kühldampfstrom niedrigeren Druck hat als der Haupt- dampfstrom, kann er auch nicht in diesen eingespeist werden. Die durch Wärmeleitung aus dem
Hauptdampfstrom entzogene Energie kann daher innerhalb dieses Gehäuses nicht wieder genutzt werden. Dieser Energieverlust ist beträchtlich, da das Innengehäuse nahezu den vollen Wert der jeweiligen Heissdampftemperatur im Inneren annimmt.
Für Dampfturbinen mit sehr hoher Dampftemperatur ist es daher notwendig, eine wirksame
Isolation des Dampfstroms zu schaffen. Der Grundgedanke der Erfindung ist es, die bei Gasturbi- nen erprobten Vorteile der inneren Isolation auch für den Dampfturbinenbau nutzbar zu machen.
Dabei ist auf die Eigenschaft des Mediums Wasserdampf Rücksicht zu nehmen, das viele mineral- sche Isolierstoffe auflöst und daher ein absolut beständiges Isolationsmaterial erfordert. Weiters ist die Eigenschaft des Mediums Wasserdampf, bei Umgebungstemperatur zu kondensieren und den flüssigen Aggregatzustand anzunehmen, in der Konstruktion einer solchen Isolation bzw. des Gehäuses einer solchen Dampfturbine zu beachten. Es sind durch entsprechende Entwässerungs- leitungen Abflussmöglichkeiten für das Kondensat zu schaffen.
Kondensation tritt vor allem beim
Anfahren aus dem kalten Zustand auf, wenn die Metallmassen durch Dampf erwärmt werden müssen. Weiters auch im Dauerbetrieb, wenn das Aussengehäuse sich auf Kondensationstemperatur befindet und noch ein gewisser Wärmeverlust nach aussen stattfindet. An der Innenseite des
Aussengehäuses würde dann eine entsprechende Kondensation stattfinden. Auch dieses Kondensat muss über Entwässerungen laufend abgeführt werden.
Es wird daher gemäss der Erfindung vorgeschlagen eine innere Isolation für eine Dampfturbine zu schaffen, u. zw. so, dass das drucktragende Aussengehäuse nur auf Temperaturen kommt, die in der Umgebung der Sattdampftemperatur des Druckes sind, mit dem das Gehäuse erfüllt ist. Auch bei hohen Drücken sind dies relativ niedrige Temperaturen und sind unter dem Temperaturwert, bei dem niedrige oder auch unlegierte Werkstoffe Beeinflussung durch die Temperatur zeigen. Das heisst, das drucktragende Gehäuse kann in seinen Festigkeitseigenschaften praktisch wie im kalten Zustand berechnet und betrieben werden. Eine dünne konventionelle Isolation an der Aussenseite sorgt für Berührungsschutz und für die weitere Verminderung der Wärmeverluste nach aussen, die aber infolge dieser geringen Temperatur des drucktragenden Gehäuses an sich sehr gering sind.
Zwischen dem drucktragenden Gehäuse und dem Isolationskörper wird ein Spalt vorgesehen, der ausreichenden Querschnitt für eine Durchspülung mit "kaltem" Dampf aufweist. Aus diesen ringspaltähnlichen Räumen kann beim Anfahren mit kalter Maschine das anfallende Kondensat in der üblichen Weise durch Entwässerungsleitungen aus dem Turbinengehäuse entfernt werden.
Im Dauerbetrieb, auf hoher Temperatur des Dampfes im Hauptstrom, kann durch die Anspeisung dieses Ringspaltes und durch die Anspeisung der analogen Spalte an den senkrechten Wänden des Hauptgehäuses bzw. in der Umgebung und an der Trennfläche zwischen den Innengehäusen, Frischdampfrohrleitungen und den Leitschaufelträgern durch Einspeisung von Dampf geeigneten Druckes und niedriger Temperatur, vorzugsweise von Sattdampf oder niedrig oder niedriger überhitztem Dampf eine Strömung durch den Isolierkörper nach innen hergestellt werden, die der Wärmeströmung entgegengerichtet ist und somit den Wärmefluss aus den heissen, inneren Teilen der Turbine nach aussen auf nahezu Null zu regeln imstande ist.
Dies ist deshalb möglich, da der gesamte Isolierkörper mit seinen metallischen Einbauten so gestaltet sein muss, dass Strömungsquerschnitte für die Ausströmung des Dampfes bei plötzlicher Druckabsenkung vorhanden sind. Diese Strömungsquerschnitte können daher im stationären Betrieb zu obigem Zweck benutzt werden. Die Druckausgleichsbohrungen an der Innenseite des Isolationskörpers ermöglichen es nun, Dampf aus dem Isolierkörper direkt in den Hauptstrom des Dampfes an geeigneter Stelle einzuspeisen. Dies wird vor allem zwischen den Leitschaufelträgern möglich.
Durch geeignete Anordnung dieser Einspeisebohrungen bzw. Druckausgleichsbohrungen ist es auch möglich, gewissen Konvektionseffekten der Wärmeübertragung innerhalb des Isolationskörpers zu begegnen.
Bei der Gestaltung des Isolationskörpers selbst ist die Hauptaufgabe, das Volumen mit möglichst wenig metallischer Substanz zu füllen, damit die geringe Leitfähigkeit des stagnierenden Dampfes im Mittel nicht zu sehr erhöht wird. Geeignet sind hiezu Metallfasern aus austenitischem Stahl oder aus Nickel-Legierungen, die bei der Zerspanung derartiger Materialien gewonnen
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werden könnten. Zum Beispiel möglichst rechteckige lockenförmige Späne oder auch Rohrabschnitte, Ringe in ungefähr quadratischem Umriss, die durch Abschneiden aus Rohren entstehen, die z. B. Rohrabschnitte sind, die teilweise eingequetscht sind ; es können tiefgezogene Näpfe Verwendung finden, wobei diese Materialien regellos geschüttet werden.
Durch ihre grosse Fläche ergibt sich eine gute Abdeckung für die Strahlung und bei entsprechend dünnen metallischen Wandquerschnitten geringe metallische Leitfähigkeit. Im Falle der Druckabsenkung stehen genügend grosse Querschnitte in solchen Schüttmaterialien zum Ausströmen des Dampfes zur Verfügung. Die Konvektion des Dampfes muss durch horizontal gelegte Bleche besonders behindert werden. Besonders ist dies nötig in der Teilfuge der Turbine und auch oberhalb und unterhalb, wobei diese Bleche jedoch in diesen Bereichen dann nicht mehr völlig horizontal gelegt werden können, um nicht die Ausströmung bei Druckabsenkung zu behindern. Sie sind jedoch nur in grösseren Abbständen erforderlich, da die Schüttmaterialien an sich einen entsprechend grossen Widerstand für die Konvektionsströmung hervorrufen.
Im Bereich höchster Temperaturen und der hohen Strahlung müssen Bleche gelegt werden, die senkrecht zur Strahlungsoberfläche liegen. Sie müssen gebohrt sein, um die Ausströmung bei Druckabsenkung mit genügend grossen Querschnitten zu ermöglichen, und sie müssen zu diesem Zweck, da ja dann pro Blech Kräfte entstehen, durch Noppen und Leisten gegeneinander abgestützt sein. Die Bleche sollen aus möglichst hochwertigem Material mit blanker Oberfläche hergestellt sein, um einen niedrigen Schwärzegrad zu erreichen. Die Löcher und Durchlässe für die Ausströmung bei Druckabsenkung müssen im Sinne der Strahlung so gegeneinander versetzt sein, dass keine Durchsichtigkeit entsteht. Durch Wickeln derartiger Blechstreifen lässt sich ein homogener Isolationskörper erzeugen, der beträchtliche Druck-und Wärmespannungen aufnehmen kann.
Im einzelnen werden diese Konstruktionen in den Zeichnungen beschrieben und bezeichnet.
So zeigt Fig. l die Konstruktion einer Hochtemperatur-Dampfturbine, im Ausführungsbeispiel mit einem Dampfkompressor, im Sinne eines geschlossenen Gasturbinenprozesses mit Wasserdampf als Kreislaufmedium. Dabei bedeutet --1-- das kalte, auf Sattdampftemperatur befindliche, drucktragende Aussengehäuse, --2-- die äussere Isolation, die lediglich als Berührungsschutz erforderlich ist, --3-- den Spalt zwischen dem Isolationskörper und dem kalten Aussengehäuse, - bezeichnet den eigentlichen Isolationskörper, der in der oben geschilderten Weise aus gewickelten Blechen bzw. Schüttmaterial und der notwendigen Stützkonstruktion besteht.
Im Bereich des Strömungskanals zwischen der Kompressorturbine, auch als Hochdruckturbine bezeichnet, und der Nutzturbine, auch als Mitteldruckturbine bezeichnet, ist hier auch eine Isolation nach innen zu, zum Schutze des innenliegenden Lagerkörpers und der Lager der beiden Läufer erforderlich. Auch hier wird ein entsprechender Isolationskörper gebildet und auch dieser wird durch einen Spalt gegenüber dem eigentlichen Lagerkörper isoliert.
Der Spalt --3--, zwischen dem Aussengehäuse --1-- und dem Isolationskörper --4-- sei vom Kompressor her, oder auch vom Kessel her, mit Dampf geeigneten Druckes, jedoch niedrigerer Temperatur, wie in der Hauptströmung beaufschlagt. Im dargestellten Falle herrscht daher im gesamten Aussengehäuse der Dampfturbine der gleiche Druck, wie er am Austritt aus der schnelläufigen Kompressorturbine bzw. am Eintritt in die Generator-Antriebsturbine herrscht. Dadurch erfolgt eine Durchspülung des Isolationskörpers vom Spalt her in die Hauptströmung. Die Wärme-
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über den Spalt --3-- im Sinne einer Dampfströmung, die nach der Kompressorturbine in den Dampfkanal der Hauptströmung durch Druckausgleichsbohrungen oder durch die Ringspalte --5-eintritt, wieder in den Hauptstrom und damit in den Dampfkreisprozess rückgeführt.
Druckausgleichsbohrungen sind druckmässig sinngemäss wie die Ringspalte --5-- angeordnet und können an
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Druck und daher die gewünschte Rückspeisung ergeben. Sie sind so zu verteilen, dass ein möglichst gleichmässiges Temperaturfeld im Isolationskörper --4-- und eine gleichmässige Rückspeisung erfolgt. Da sich infolge der Konvektionsströmung im Inneren des Isolationskörpers eine Ansammlung heisser Dampfteilchen nach oben zu ergibt, sind die Druckausgleichsbohrungen zweckmässigerweise
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in den oberen Gehäusehälften entsprechend zu vermehren, um die durch die Konvektionsströmung des stagnierenden Dampfes am meisten erwärmten Stellen der Isolation zu erfassen.
Fig. 2 zeigt einige mögliche Ausführungen von Einzelteilen für Schüttmaterial für Isolierung in Form eines tiefgezogenen Napfes --7-- bzw. eines gequetschten Rohrabschnittes --8, 9--.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt senkrecht zur Turbinenachse mit dem Aussengehäuse --1--, dem
Spalt --3--, dem Innengehäuse bzw. Leitschaufelträger --6-- und die Ausführung des Isolations- körpers in zwei Teilen aus gewickelten Blechen --10--, aus Schüttmaterial --12-- mit einer dazwischenliegenden Tragkonstruktion --11-- und Blechen zur Konvektionsverhinderung --13--.
Diese Ausführung ist zur Strahlungseindämmung, Konvektionsbehinderung und Minimisierung der Wärmeleitung, wie sie in unmittelbarer Nähe der heissesten Innenteile, also der Einströmrohre und der Innengehäuse bzw. Leitschaufelträger --6, 2, 6, 1, 6-- erforderlich wäre, gezeigt.
Die Bleche gemäss Fig. 4 seien aus einem Blechstreifen entsprechend kalt gewalzten Bleches mit geeigneter Oberfläche durch Pressen und Stanzen erzeugt, und sollen auf die entsprechenden Bauteile aufgewickelt werden. Um der Beanspruchung durch Kräfte bei der plötzlichen Druckabsenkung zu begegnen, kann es nötig sein, sowohl diese Bleche, als auch das Schüttmaterial in regelmässigen Abständen durch stärkere Lochbleche, die in soliden Trägern verankert sind, abzustützen. Die Anordnung dieser Abstützbleche ist gemeinsam mit den Blechen zur Behinderung der Konvektion in Fig. 3 dargestellt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Innere Isolation des Doppelgehäuses von Hoch- und Höchsttemperatur-Dampfturbinen, bestehend aus im Inneren des drucktragenden Aussengehäuses angeordneten Isolationskörpern, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Isolationskörper (4) und dem möglichst kalt zu haltenden drucktragenden Aussengehäuse (1) ein Spalt (3) vorgesehen ist, welcher über übliche Entwässerungsleitungen und Kondensatableiter an das Entwässerungssystem der Dampfturbine angeschlossen ist, wobei der Isolationskörper (4) aus metallischen Fasern, Blechen (7,8, 9,10), Siebblechen und geeigneten Halterungs-Tragkonstruktionen (11,12) besteht, wobei der Spalt (3) mit Dampf etwas höheren Druckes und niedrigerer Temperatur, als der Dampf der Hauptströmung in den Turbinenstufen besitzt,
aus einem Dampfkotnpressor oder aus einer Kesselanzapfung anspeisbar ist, wobei die Einströmung dieses Dampfes in die Hauptströmung durch Druckausgleichsbohrungen bzw. Ringspalte (5) des inneren Führungsgehäuses (6, 1) bzw. des inneren Einströmgehäuses (6, 2) bzw. Leitschaufelträgers (6) erfolgt.
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the outer casing is cooled. Since this cooling steam flow has a lower pressure than the main steam flow, it cannot be fed into it either. The by heat conduction from the
Energy extracted from the main steam flow can therefore not be used again within this housing. This energy loss is considerable since the inner casing takes on almost the full value of the respective hot steam temperature inside.
For steam turbines with a very high steam temperature, it is therefore necessary to have an effective one
To create isolation of the steam flow. The basic idea of the invention is to make the advantages of internal insulation that have been tried and tested in gas turbines usable for steam turbine construction.
In doing so, consideration must be given to the property of the medium water vapor, which dissolves many mineral insulating materials and therefore requires an absolutely durable insulation material. Furthermore, the property of the medium water vapor, condensing at ambient temperature and assuming the liquid state of aggregation, must be taken into account in the construction of such insulation or the housing of such a steam turbine. Appropriate drainage pipes must be used to drain the condensate.
Condensation occurs primarily when
Starting from the cold state when the metal masses have to be heated by steam. Also in continuous operation if the outer casing is at the condensation temperature and there is still some heat loss to the outside. On the inside of the
Corresponding condensation would then take place on the outer housing. This condensate must also be continuously drained off via drainage.
It is therefore proposed according to the invention to provide internal insulation for a steam turbine, u. in such a way that the pressure-bearing outer housing only reaches temperatures that are in the vicinity of the saturated steam temperature of the pressure with which the housing is fulfilled. Even at high pressures, these are relatively low temperatures and are below the temperature value at which low or unalloyed materials influence the temperature. This means that the pressure-bearing housing can be calculated and operated in practically the same way as when it is cold. A thin conventional insulation on the outside provides protection against accidental contact and further reduction of heat losses to the outside, which are very low due to the low temperature of the pressure-bearing housing.
A gap is provided between the pressure-bearing housing and the insulation body, which has a sufficient cross section for flushing with "cold" steam. When starting with a cold machine, the resulting condensate can be removed from these turbine gap-like rooms in the usual way by drainage pipes from the turbine housing.
In continuous operation, at a high temperature of the steam in the main stream, by feeding this annular gap and by feeding the analog gaps on the vertical walls of the main housing or in the environment and on the separating surface between the inner housing, live steam pipelines and the guide vane carriers by feeding in Steam suitable pressure and low temperature, preferably saturated steam or low or low superheated steam, a flow through the insulating body to the inside, which is opposite to the heat flow and thus regulate the heat flow from the hot, inner parts of the turbine to the outside to almost zero is able.
This is possible because the entire insulating body with its metallic internals must be designed in such a way that flow cross-sections are available for the outflow of the steam in the event of a sudden drop in pressure. These flow cross sections can therefore be used in stationary operation for the above purpose. The pressure compensation holes on the inside of the insulation body now make it possible to feed steam from the insulation body directly into the main stream of the steam at a suitable point. This is possible primarily between the guide vane supports.
By suitably arranging these feed bores or pressure compensation bores, it is also possible to counter certain convection effects of heat transfer within the insulation body.
When designing the insulation body itself, the main task is to fill the volume with as little metallic substance as possible so that the low conductivity of the stagnant steam is not increased too much on average. Metal fibers made of austenitic steel or nickel alloys, which are obtained during the machining of such materials, are suitable for this purpose
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could become. For example, as possible curly curled shavings or pipe sections, rings in roughly square outline, which result from cutting from pipes that z. B. are pipe sections that are partially pinched; deep-drawn bowls can be used, these materials being randomly poured.
Due to their large area, there is good coverage for the radiation and, with correspondingly thin metallic wall cross sections, low metallic conductivity. In the event of a pressure drop, sufficiently large cross sections are available in such bulk materials for the steam to flow out. The convection of the steam must be particularly impeded by horizontally placed sheets. This is particularly necessary in the parting line of the turbine and also above and below, but these sheets can then no longer be placed completely horizontally in these areas so as not to hinder the outflow when the pressure is reduced. However, they are only required at larger distances, since the bulk materials themselves cause a correspondingly high resistance to the convection flow.
In the area of highest temperatures and high radiation, sheets must be placed that are perpendicular to the radiation surface. They have to be drilled in order to allow the outflow when the pressure is reduced with sufficiently large cross sections, and for this purpose, since forces then arise per sheet, they must be supported against one another by knobs and strips. The sheets should be made of the highest quality material with a bare surface in order to achieve a low degree of blackness. The holes and passages for the outflow when the pressure is reduced must be offset in relation to the radiation in such a way that there is no transparency. By winding sheet metal strips of this type, a homogeneous insulation body can be produced which can absorb considerable pressure and thermal stresses.
These constructions are described and designated in detail in the drawings.
Thus, FIG. 1 shows the construction of a high-temperature steam turbine, in the exemplary embodiment with a steam compressor, in the sense of a closed gas turbine process with steam as the circulating medium. Here --1-- means the cold, pressurized outer casing, which is at saturated steam temperature, --2-- the outer insulation, which is only required as protection against accidental contact, --3-- the gap between the insulation body and the cold outer casing, - denotes the actual insulation body, which in the manner described above consists of wound sheets or bulk material and the necessary support structure.
In the area of the flow channel between the compressor turbine, also referred to as a high-pressure turbine, and the utility turbine, also referred to as a medium-pressure turbine, insulation to the inside is also required here to protect the internal bearing body and the bearings of the two rotors. A corresponding insulation body is also formed here and this is also insulated from the actual bearing body by a gap.
The gap --3--, between the outer casing --1-- and the insulation body --4-- is from the compressor or from the boiler with steam of a suitable pressure, but at a lower temperature, as in the main flow. In the case shown, the pressure in the entire outer casing of the steam turbine is therefore the same as that prevailing at the outlet from the high-speed compressor turbine or at the inlet to the generator drive turbine. This causes the insulation body to be flushed from the gap into the main flow. The heat-
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Via the gap --3-- in the sense of a steam flow, which after the compressor turbine enters the steam channel of the main flow through pressure compensation holes or through the annular gap --5-, is returned to the main flow and thus back into the steam cycle.
Pressure equalization bores are arranged in the same way as the annular gaps --5-- and can be on
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Pressure and therefore the desired feedback. They must be distributed in such a way that the temperature field in the insulation body is as uniform as possible --4-- and the energy is fed back evenly. Since the convection flow inside the insulation body results in an accumulation of hot vapor particles upwards, the pressure compensation bores are expedient
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in the upper halves of the housing to increase accordingly in order to cover the areas of the insulation which are most heated by the convection flow of the stagnant steam.
Fig. 2 shows some possible designs of individual parts for bulk material for insulation in the form of a deep-drawn cup --7-- or a squeezed pipe section --8, 9--.
Fig. 3 shows a section perpendicular to the turbine axis with the outer housing --1--, the
Gap --3--, the inner casing or guide vane carrier --6-- and the design of the insulation body in two parts made of wound sheet metal --10--, made of bulk material --12-- with an intermediate support structure --11 - and sheets to prevent convection --13--.
This version is shown to contain radiation, prevent convection and minimize heat conduction, as would be necessary in the immediate vicinity of the hottest inner parts, i.e. the inflow pipes and the inner housing or vane carrier --6, 2, 6, 1, 6--.
The sheets according to FIG. 4 are produced from a sheet metal strip corresponding to cold-rolled sheet metal with a suitable surface by pressing and punching, and are to be wound onto the corresponding components. In order to counteract the stress caused by the sudden drop in pressure, it may be necessary to support both these sheets and the bulk material at regular intervals using thicker perforated sheets that are anchored in solid supports. The arrangement of these support plates is shown together with the plates for preventing convection in FIG. 3.
PATENT CLAIMS:
1. Internal insulation of the double housing of high and maximum temperature steam turbines, consisting of insulating bodies arranged in the interior of the pressure-bearing outer housing, characterized in that a gap (3) between the insulating body (4) and the pressure-bearing outer housing (1), which is to be kept as cold as possible. It is provided, which is connected to the drainage system of the steam turbine via conventional drainage lines and steam traps, the insulation body (4) consisting of metallic fibers, sheets (7,8, 9,10), sieve sheets and suitable support structures (11, 12) , the gap (3) with steam having slightly higher pressure and lower temperature than the steam of the main flow in the turbine stages,
can be fed from a steam compressor or from a boiler tap, the inflow of this steam into the main flow through pressure compensation bores or annular gaps (5) of the inner guide housing (6, 1) or of the inner inflow housing (6, 2) or guide vane carrier (6) he follows.