Dampfturbinenaggregat für hohen Druck und hohe Überhitzuug. Die Verwendung hochgespannten und hochüberhitzten Dampfes (über 20 Atm. und 350 C) hat bisher keine wesentliche Ände rung Im Aufbau der Dampfturbine zur Folge gehabt.
Als zweckmässiges Mittel, um hohe Drücke und hohe Temperaturen in der Tur bine zu verarbeiten, galt bisher die weit gehende Entspannung des Dampfes in .der ersten Düsenreihe, .also die Verarbeitung gro sser Gefälle in der ersten Stufe. Durch :diese Massnahme kann allerdings erreicht werden. dass die Temperaturen und Drücke am Rade mässig werden;
:die grossen Gefälle erfordern aber, um brauchbare Wirkungsgrade zu ge ben, sehr grosse Radumfangs,gescliwindigkei- ten. Da aus bekannten Gründen die Um drehungszahl meist eine verhältnismässig nie drige sein muss (\ 3000/Min.), so ergeben sich hieraus sehr grosse Raddurchmesser und aus den Raddurchmessern teure und umfang reiche Gehäuse, die infolge der bedeutenden Temperaturunterschiede am Hoch- und Nie derdruckende durch Wärmespannungen ganz besonders gefährdet sind.
Tatsächlich sind bisher alle Versuche, normal gebaute Tur- binen mit Dampf von hohem Druck oder sehr hoher Überhitzung zu betreiben, an Ge häusebrüchen gescheitert.
Die Anwendung grosser Gefälle in der ersten Stufe hat d'en'weiteren Nachteil, dass die Beaufschlagung, selbst bei geringen S.chaufelhöheri, infolge der grossen Dampf- gescliwindigkeit, klein ist, so dass die Venti lationsarbeit erhöht wird und gemeinsam mit der durch dio grossen Raddurchmesser be dingten Radreibung bedeutende Verluste her vorruft.
Gehen Damp,fdruok und Temperatur ab.ar beträchtlich über das übliche Mass hinaus, so gelingt es auch mit den höchsten zuläs sigen Ra@dumfangsgeschwindigkeiten nicht mehr, einbrauchbares Verhältnis u : c (Rad umfangsgeschwindigkeit: Dampfgeschwindig keit) einzuhalten, so dass der Wirkungsgrad .dieser ersten Stufe der Turbine ganz unge nügend wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft nun ein Turbinenaggregat für hohe Drücke und Überhitzungen, welches die oben angeführ ten Nachteile vermeidet und in seinem Auf- bau von den bisherigen Bauarten wesentlich abweicht. Es besteht aus mehreren, und zwar mindestens zwei "Vorstufen", in denen der Dampf bis auf .den für eine Turbine der normalen Bauart zulässigen Druck (etwa 20 Atm.) he-rabexpandiert und aus einer oder mehreren Normal,druclk-Turbineri, die die restliche Dampfenergie verarbeiten.
Die kon struktiven IC.ennzeichen dieser Vorstufen sind die Anwendung hoher Drehzahlen der Turbinenläufer, die Übersetzung ,derselben auf die kleinere Drehzahl der zum Beispiel mit den Vorstufen zusammenarbeitenden ormaldruck-Turbine oder eines mit den Vorstufen gekuppelten Generators, die sym metrische Lage .der Ritzel zum Ra-de, und zwar vornehmlich in einer horizontalen Mit telebene durch das Rad, ferner die fliegende Anordnung der Räder.
Es sind allerdings Turbinen bekannt, bei denen die Hochdruckstufe rascher läuft als die Niederdruckstufe. Ferner sind Turbinen bekannt, deren einzelne Stufen mittelst meh rerer R.itzel auf ein gemeinsames Getriebe rad arbeiten, ferner hat die fliegende An ordnung von Turbinenrädern, die Getriebe antreiben, bereits Anwendung gefunden, aber bei keiner der bekannt gewordenen Tur binen, die obige Merkmale einzeln aufweisen, hat man die Vorteile, die sich aus einer zweckmässigen Kombination :der einzelnen Merkmale mit den übrigen angeführten Kennzeichen ergeben, zunutze gemacht.
Erst durch die gleichzeitige Anwendung der ge nannten Vorteile wird eine Turbine, die sehr hohe Drücke und Überhitzungen betriebs sicher und bei höchstem Wirkungsgrad zu verarbeiten vermag, geschaffen.
In den Figuren sind drei verschiedene Hille als Beispiele für die neue Bauart ge zeigt.
Fig. 1 gibt schematisch den Längsschnitt durch eine einräderige Vorstufe wieder; die zweite Stufe von zweckmässig gleicher Lei stung hat man sich hinter der ersten gelegen zu .denken. Das sichtbare erste Rad a arbei tet auf ein R.itzel b und ist fliegend ange ordnet; c und d sind die die Ritzellager. Das Turbinengehäuse c ist .durch Flansch f am Getriebegehäuse befestigt.
Zur Zentrierung des -Gehäuses können beispielsweise kreuz förmig gestellte Keile dienen, längs welchen sich das Gehäuse bei Erwärmung auszudeh nen vermag. g ist die Stopfbüchse, die als gewöhnliche Labyrinthstopfbüchse a.usge,- führt werden kann. Der Leckdampf tritt in den Raum h, von wo er .abströmt.
Das grosse Getrzebrad i ist beiderseitig gelagert ange- nommnen und mittelst Kupplung h; mit dem Generator oder einer -den Vorstufen nachge schalteten Normaldruckturbine verbunden.
Fig. 2 zeigt eine ähnliche Anordnung schematisch und wagrecht geschnitten, je doch mit dem Unterschiede, dass jede Vor stufe zwei Räder a,-a, besitzt und das Ge trieberad i auf .dem Wellenende des Gene- rators oder der nachgeschalteten Normal druckturbine fliegend angeordnet ist. Die Radkammern jeder Vorstufe sind durch Zwi schenwände m, getrennt. Die Gehäuse kön nen zweiteilig, oder bei abnehmbaren Rädern auch einteilig ausgeführt werden.
Bei der zweiteiligen Ausführung sind beispielsweise zur besseren Zugangsmöglichkeit zu den Deckelschrauben die Längsflanschen unter 45 gegen die Horizontale geneigt (nicht ge zeichnet). b sind wieder die Ritzel, die Trier schräge Zähne aufweisen; die Ritzella.ger sind auf einer Seite :als Drucklager r2. ausge bildet. o ist der Regler nebst. Steuerung mit Antrieb durch da,, Schraubenrad p. Der Da:m:pfweg ist durch Pfeile angedeutet. Der aus der letzten Stufe der zweiten Vorstufe tretende Dampf wird einer Turbine normaler Bauart zugeführt, wo er seine restliche Ener gie abgibt.
Fig. 3 zeigt schematisch den Hochdruck teil eines Turbinenaggregates mit vier Vor stufen, die an beiden Enden .des Generators l aufgestellt sind. Die ersten. hinsichtlich ihrer Leistung unter sich gleichen Stufen sind beide einräderig (a1 und a2), die zwei weiteren, unter sich ebenfalls von gleicher Leistung, je zweiräderig (a,, bis ac) gezeich net.
Die Schräge der Zähne des Getriebes kann leicht so bestimmt werden, dass sämt liche Aehsialschübe, herrührend vom Dampf druck der wellenlosen Enden der Turbinen läufer und von den Umfangskräften an :den Zähnen sich untereinander vollkommen aus blechen.
Für den Antrieb des Erregers kann eines der beiden Getriebe noch mit einem weiteren Ritzel für geringere Drehzahl ver sehen werden; in manchen Fällen wird aber (.1er Erreger fortfallen können, wenn nämlich die Erregung .des von den Vorstufen getrie benen Generators vom Erreger des Normal druck-Aggregates, mit dem der _Vorstufen- t311# <B>0'</B> elektrisch gekuppelt ist, besorgt werden kann.
Fig. 4 gibt,die Ausführung einer mit den Lagern verbundenen Stopifbüchse wieder. Es ist wieder a das Turbinenrad, b das Ritzet, c und d die Ritzellager. Bei<I>q</I> ist eine wei tere Büchse angebracht, .durch welche zur Kühlung ;der Welle Wasser eingeführt wer den kann, r sind Wasser- und Ölabstreif- ringe. Die sämtlichen, die Welle s mit klei nem Spiel .umgebenden Teile sind nun in einem gemeinsamen Gussstück G gelagert, um die genaue Zentrierung dieser Teile zu ge währleisten.
Dieses Gussstück ist zweiteilig, in der Mittelebene an geeigneten Stellen durch Flansch und Bolzen verbunden und an der Eingriffsstelle des Ritzels mit einer Off- nun" versehen: Das Gussstück selbst ruht in den Bohrungen aa des Getriebegehäuses.
Durch Entfernen des Getriebe-Gehä.use- deckels <I>v</I> können also Lager<I>c, d,</I> Stopf büchse g und Läufer a der Turbine samt Ritzel b gemeinsam ausgebaut werden; ebenso sind Einbaukorrekturen, wie sie das Kitzel zum Zwecke eines richtigen Eingrif fes in das Rad nötig macht, lediglich durch Lageränderungen des Gussstückes t ermög licht, ohne dass Nacharbeiten an Lager und Stopifbüchsen nötig sind.
Die starre Verbin dung der Stopfbüchse g mit dem Lager c, d ermöglicht allerkleinstes Spiel der Laby- rinthe und damit eine Verminderung der Leckverluste .auf das kleinstmögliche Mass. Der Leckcla.mp.f und Teile des Kühlwassers, welche sich im Raume la ansammeln, entwei- chen durch Öffnung iv, Kühlwasser allein durch Bohrung x.
Das Turbinengehäuse e ist gesondert gelagert und beispielsweise durch Kreuzführung (geile) oder durch Zen trierung bei y in der Mittellage gehalten und dorlselbst nach aussen abgedichtet. Hier eventuell durchgetretener Leckdampf kann durch die Bohrung z in den Raum h ent weichen.
Inwiefern .die angeführten Kennzeichen der neuen Bauart zusammenhängen und in ihrer Vereinigung erhöhte Vorteile erbrin gen, ist aus folgendem ersichtlich: Die hohe Drehzahl, die durch Verwendung .des Ge triebes ermöglicht ist, .gestattet auch bei klei nen Raddurchmessern genügend hohe TJm- fangsgeschwindigkeiten. Die kleinen Rad durchmesser ergeben volle Beaufschla.gung bei genügend hohen Schaufeln, die Gehäuse abmessungen werden gering, .die Beherr- scUun,g hoher Drücke und Temperaturen in der Radkammer dadurch erleichtert.
Infolge der vollen Beaufschlagung und der kleinen Raddurchmesser werden die Ventilations- und Radreibungsverluste vernachlässi,gbar klein.
Die symmetrische Anordnung zweier Rstzel auf einem Raddurchmesser und eine zweckmässig gleiche Leistungsverteilung auf jede Turbine bezw. jedes Ritzel ermöglicht sehr einfache Getriebekonstruktionen und vollständige Entlastung des Zapfens -des gro ssen Getrieberades von biegenden Momenten. Durch die fliegende Anordnung der Tur binenräder kommen Lager, Kupplung und die Stopfbüchse auf einer Seite jedes Gehäu ses in Wegfall.
Der auf das wellenfreie Ende des Turbinenläufers wirkende Dampf- ,druck kann bei schrägen Zähnen (Schrau benrädern) zum Ausgleich des Zahndruckes verwendet werden, so dass die Kitzelwelle in sich ausgeglichen ist und keine oder nur kleine Drucklager benötigt. Werden bei spielsweise bei sehr hohen D.amip±drückeä und Überhitzungen mehr als zwei Vorstufen erforderlich, so können diese Turbinen auf zwei Getrieberäder verteilt werden, die -dann an beiden Enden der Generatorwelle ange bracht sind.
Da durch die symmetrische An- ordnung der Ritze, die Wehlernenden durch keine Biegungsmomente beansprucht sind, können auch die Getrieberäder fliegend auf gesetzt werden, und zwar unmittelbar auf das Wellenende der zu kuppelnden Normal druck-Turbine oder des Generators.
Bei An ordnung je eines Getriebes an beiden Enden der Generatorwelle ist dann ein vollkom mener Ausgleich der Achsialschübe aus den Zahndrücken ermöglicht, wobei bei verschie den grossen Achsialschüben .der Ausgleich durch entsprechende Schrägstellung der Zähne beider Räder erfolgt.
Besonders wichtig ist bei Hochdruck dampf, dass die Verluste durch die Stopf büchsen klein gehalten werden. Um dies zu erreichen, sind die Spiele in den Stopfbüchsen (Labyrinthe) auf ein Mindestmass zu ver ringern und deshalb auf die genaueste Zen trierung der Stopfbüchse zu achten. Die neue Bauart der Turbine gestattet eine hierzu zweckdienliche Konstruktion durch unmittel bare Verbindung der Stopfbüchse mit den Lagern und Trennung der Stopfbüchse vom Turbinengehäuse.
Die Zentrierung der Stopf büchse erfolgt dann gemeinsam .mit den La gern und bleibt unberührt von Verlagerun gen des Gehäuses, ,die beispielsweise durch Wärmespannungen oder Rohrzüge oder der gleichen hervorgerufen werden.
Bei der vorliegenden Bauart kann vor teilhaft ein Arbeitsverfahren Anwendung finden, nach welchem die Wärriegefälle des Dampfes so aufzuteilen sind, dass nur kleine R.adgesekwindigkeiten (rc <I> < </I> 160 mjSek.) bei höchstem Wirkungsgrad, also einem u : c von nahe 0,5 für einkränzige Räder, erhalten werden.
Dies fordert die Aufteilung in kleine Gefälle und damit die Zulassung hoher Drücke und Temperaturen in den ersten Stufen. Durch die Aufteilung in mehrere Gehäuse, die voneinander unabhängig- sind und geringe Abmessungen besitzen und durch die Trennung der zur Lagerung des Turbinenläufers dienenden Teile von der eigentlichen Turbine und der besonderen La gerung bezw. Zentrierung des Turbinen gehäuses ist es aber möglich, die sich erge- benden hohen Drücke und Temperaturen leicht und betriebssicher zu beherrschen.
Steam turbine unit for high pressure and high superheating. The use of highly stressed and superheated steam (over 20 atm. And 350 C) has so far not resulted in any significant changes in the structure of the steam turbine.
Up until now, extensive expansion of the steam in the first row of nozzles, i.e. processing large gradients in the first stage, has been considered a practical means of processing high pressures and high temperatures in the turbine. By: however, this measure can be achieved. that the temperatures and pressures on the bike are moderate;
: The large gradients, however, require a very large wheel circumference and speed in order to achieve useful efficiency. Since, for known reasons, the number of revolutions usually has to be relatively low (\ 3000 / min.), this results in very large ones Wheel diameter and from the wheel diameter expensive and extensive housing, which are particularly at risk from thermal stresses due to the significant temperature differences at the high and low pressure end.
In fact, all attempts to operate normally built turbines with steam at high pressure or very high overheating have failed due to broken housings.
The use of large gradients in the first stage has the further disadvantage that the admission, even with low blades, is small due to the high steam speed, so that the ventilation work is increased and, together with that caused by the dio large wheel diameters caused wheel friction causes significant losses.
If the steam, pressure and temperature go well beyond the usual level, it is no longer possible to maintain the usable ratio u: c (wheel circumferential speed: steam speed), even with the highest permissible circumferential wheel speeds, so that the degree of efficiency. this first stage of the turbine is completely unsatisfactory.
The present invention relates to a turbine unit for high pressures and overheating which avoids the disadvantages mentioned above and which differs significantly in its construction from the previous designs. It consists of several, at least two "preliminary stages", in which the steam expands up to the pressure permissible for a turbine of the normal design (approx. 20 atm.) And of one or more normal, pressure turbineri, the process the remaining steam energy.
The structural IC characteristics of these preliminary stages are the application of high speeds of the turbine rotors, the translation, the same to the lower speed of the ormalpressure turbine that works with the preliminary stages, for example, or a generator coupled to the preliminary stages, the symmetrical position of the pinion to the Ra-de, primarily in a horizontal mid-plane through the wheel, also the flying arrangement of the wheels.
However, turbines are known in which the high pressure stage runs faster than the low pressure stage. Turbines are also known, the individual stages of which work by means of meh rerer R.itzel on a common gear wheel, furthermore, the flying arrangement of turbine wheels that drive gear has already found application, but none of the known turbines have the above features have individually, one has made use of the advantages that result from an expedient combination: of the individual features with the other cited characteristics.
A turbine that can process very high pressures and overheating reliably and with the highest degree of efficiency is only created when the advantages mentioned are applied simultaneously.
In the figures, three different Hille are shown as examples of the new design.
Fig. 1 shows schematically the longitudinal section through a single-wheel preliminary stage; the second stage of appropriately equal performance has to be thought of behind the first. The visible first wheel a works on a sprocket b and is arranged on the fly; c and d are the pinion bearings. The turbine housing c is attached to the gear housing by means of flange f.
To center the housing, for example, cross-shaped wedges can be used, along which the housing is able to expand when heated. g is the stuffing box, which can be used as an ordinary labyrinth stuffing box. The leakage steam enters space h, from where it flows out.
The large gear wheel i is assumed to be mounted on both sides and by means of coupling h; connected to the generator or a normal pressure turbine downstream of the preliminary stages.
Fig. 2 shows a similar arrangement schematically and horizontally cut, but with the difference that each pre-stage has two wheels a, -a, and the gear wheel i on .dem shaft end of the generator or the downstream normal pressure turbine arranged on the fly is. The wheel chambers of each preliminary stage are separated by partitions m. The housings can be made in two parts or, in the case of removable wheels, in one part.
In the two-part design, for example, for better access to the cover screws, the longitudinal flanges are inclined at 45 to the horizontal (not shown). b are again the pinions that have Trier oblique teeth; the Ritzella.ger are on one side: as a thrust bearing r2. educated. o the controller is next to it. Control with drive through da ,, helical gear p. The Da: m: pfweg is indicated by arrows. The steam emerging from the last stage of the second preliminary stage is fed to a turbine of normal design, where it gives off its remaining energy.
Fig. 3 shows schematically the high pressure part of a turbine unit with four stages before which .des generator l are set up at both ends. The first. With regard to their performance, both are single-wheeled (a1 and a2), the two others, also of the same performance, are each two-wheeled (a1 to ac).
The inclination of the gear teeth can easily be determined in such a way that all axial thrusts, originating from the steam pressure of the shaftless ends of the turbine runners and from the peripheral forces: the teeth completely bleed out from one another.
To drive the exciter, one of the two gears can be seen ver with another pinion for lower speed; In some cases, however, (.1er exciter can be omitted, namely if the excitation of the generator driven by the preliminary stages from the exciter of the normal pressure unit with which the pre-stage t311 # <B> 0 '</B> is electrically coupled is can be worried.
Fig. 4 shows the design of a stopper sleeve connected to the bearings. It is again a the turbine wheel, b the sprocket, c and d the sprocket bearings. At <I> q </I> there is an additional bush through which water can be introduced for cooling; the shaft, r are water and oil scraper rings. All of the parts surrounding the shaft with small play are now mounted in a common casting G in order to ensure that these parts are precisely centered.
This casting is in two parts, connected in the middle plane at suitable points by flange and bolts and at the point of engagement of the pinion with an "off": The casting itself rests in the bores aa of the gear housing.
By removing the gearbox housing cover <I> v </I>, bearings <I> c, d, </I> stuffing box g and rotor a of the turbine including pinion b can be removed together; Likewise, installation corrections, such as those required by the tickle for the purpose of correct engagement in the wheel, are only made possible by changing the bearings of the casting, without the need for reworking of the bearings and stopper bushes.
The rigid connection of the stuffing box g with the bearing c, d enables the smallest possible play of the labyrinths and thus a reduction in leakage losses. To the smallest possible extent. The Leckcla.mp.f and parts of the cooling water which collect in space la escape through opening iv, cooling water only through hole x.
The turbine housing e is stored separately and held in the central position, for example by means of a cross guide (horny) or by centering at y, and is itself sealed to the outside. Any leakage steam that may have passed through here can escape through the hole z into space h.
The extent to which the cited features of the new design are related and provide increased advantages when combined can be seen from the following: The high speed, which is made possible by the use of the gear,. Permits sufficiently high initial speeds even with small wheel diameters. The small wheel diameters result in full loading with sufficiently high blades, the housing dimensions are small, and control of high pressures and temperatures in the wheel chamber is made easier.
As a result of the full loading and the small wheel diameter, the ventilation and wheel friction losses are negligibly small.
The symmetrical arrangement of two Rstzel on a wheel diameter and an expediently equal power distribution to each turbine respectively. Each pinion enables very simple gear constructions and complete relief of the pin of the large gear wheel from bending moments. The overhung arrangement of the turbine wheels means that the bearings, coupling and stuffing box on one side of each housing are no longer necessary.
The steam pressure acting on the shaft-free end of the turbine rotor can be used to balance the tooth pressure in the case of inclined teeth (screw wheels), so that the tickle shaft is balanced in itself and requires no or only small pressure bearings. If, for example, more than two preliminary stages are required at very high pressure levels and overheating, these turbines can be distributed over two gear wheels, which are then attached to both ends of the generator shaft.
Since the symmetrical arrangement of the cracks means that the ends of the shafts are not stressed by any bending moments, the gears can also be set on the fly, directly on the shaft end of the normal pressure turbine to be coupled or the generator.
If a gearbox is arranged at both ends of the generator shaft, a complete compensation of the axial thrusts from the tooth pressures is made possible, with different large axial thrusts .the compensation taking place by corresponding inclination of the teeth of both wheels.
With high-pressure steam, it is particularly important that the losses through the stuffing boxes are kept to a minimum. In order to achieve this, the clearance in the stuffing boxes (labyrinths) must be reduced to a minimum and therefore the most precise centering of the stuffing box must be ensured. The new design of the turbine allows an expedient construction by direct connection of the stuffing box with the bearings and separation of the stuffing box from the turbine housing.
The centering of the stuffing box then takes place together .mit the La like and remains unaffected by displacement of the housing, which are caused, for example, by thermal stresses or pipe runs or the like.
In the case of the present design, a working method can advantageously be used according to which the heat gradients of the steam are to be divided up so that only small forward speed (rc <I> <</I> 160 mJSec.) With the highest degree of efficiency, i.e. a u: c of close to 0.5 for single-ring wheels.
This requires the division into small gradients and thus the admission of high pressures and temperatures in the first stages. Due to the division into several housings, which are independent of each other and have small dimensions and bezw by the separation of the parts used to support the turbine rotor from the actual turbine and the special La storage. Centering the turbine housing, however, makes it possible to control the resulting high pressures and temperatures easily and reliably.