CH699978A1

CH699978A1 - Dampfturbine.

Info

Publication number: CH699978A1
Application number: CH01847/08A
Authority: CH
Inventors: Thomas Dr Mokulys; Vishal Borikar; Giorgio Zanazzi; Davor Kriz; Hans-Ludwig Boxheimer; Luca Dr Ripamonti; Maurus Herzog; Martin Dr Reigl; Rolf Doebler; Jozo Drmic; Jian Dr Chen; Rabiye Bekyigit
Original assignee: Alstom Technology Ltd
Priority date: 2008-11-26
Filing date: 2008-11-26
Publication date: 2010-05-31
Also published as: JP5610749B2; US8454306B2; JP2010127285A; US20100129207A1; CN101737088B; DE102009053447A1; CN101737088A

Abstract

Eine Dampfturbine (10), insbesondere für den Hochdruck- oder Mitteldruckbereich, umfasst einen um eine Achse drehbar gelagerten Rotor (11), der von einem Innengehäuse (12) mit Abstand konzentrisch umgeben ist, wobei zwischen dem Rotor (11) und dem Innengehäuse (12) ein Strömungskanal (13) ausgebildet ist, der eingangsseitig in axialer Richtung von einem am Rotor (11) angeordneten Ausgleichskolben (18) begrenzt wird, und in welchen in Strömungsrichtung abwechselnd Laufschaufeln (15) und Leitschaufeln (17) radial hineinragen, und wobei am Anfang des Strömungskanals (13) am Innengehäuse (12) eine Einlaufspirale (14) ausgebildet ist, durch die Dampf von aussen radial nach innen geführt und in einem Umlenkbereich (27) in axiale Richtung zum Eingang des Strömungskanals (13) umgelenkt wird. Bei einer solchen Dampfturbine wird eine Reduzierung der thermischen Belastungen und Spannungen dadurch erreicht, dass im Umlenkbereich (27) vor der ersten Laufschaufelreihe (15) zur Reduzierung der Spannungen in der Befestigungsnut (16) der ersten Laufschaufelreihe (15) im Rotor (11) eine Spannungsentlastungsnut (20) vorgesehen ist, und dass zum Schutz des Rotors (11) vor hohen Temperaturen im Bereich der Spannungsentlastungsnut (20) ein Hitzeschild (21) angeordnet ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der thermischen Maschinen. Sie betrifft eine Dampfturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

STAND DER TECHNIK

[0002] In Fig. 1 ist in einem Ausschnitt einer stark vereinfachten Darstellung der standardmässige Aufbau einer Dampfturbine für den Hochdruck(HP)- und Mitteldruck(IP)-Bereich wiedergegeben. Die Dampfturbine 26 der Fig. 1 umfasst einen um eine Achse drehbar gelagerten Rotor 11, der von einem Innengehäuse 12 mit Abstand konzentrisch umgeben ist. Zwischen dem Rotor 11 und dem Innengehäuse 12 ist ein (axialer) ringförmiger üblicherweise beschaufelter Strömungskanal 13 ausgebildet, durch den im Betrieb der zugeführte Dampf entspannt wird. Der Strömungskanal 13 wird eingangsseitig in axialer Richtung von einem am Rotor 11 angeordneten, insbesondere angeformten, Ausgleichskolben 18 begrenzt, der zum Ausgleich der axial wirkenden Kräfte vorgesehen ist. Der Ausgleichskolben 18 ist gegenüber dem Innengehäuse 12 durch eine Kolbendichtung 19 abgedichtet.

In Strömungsrichtung abwechselnd ragen Kränze von Laufschaufeln 15 und Leitschaufeln 17 radial in den Strömungskanal 13 hinein. Am Anfang des Strömungskanals 13 ist am Innengehäuse 12 eine (umlaufende) Einlaufspirale 14 ausgebildet, durch die der Dampf von aussen radial nach innen geführt und in einem Umlenkbereich 27 in axiale Richtung zum Eingang des Strömungskanals 13 umgelenkt wird. Die Leitschaufeln 17 sind auf nicht näher beschriebene Weise am Innengehäuse 12 befestigt. Die Laufschaufeln 15 sind jeweils mit Schaufelfüssen in umlaufenden Befestigungsnuten 16 am Rotor 11 befestigt.

[0003] Bei sehr hohen Betriebstemperaturen (zum Beispiel bei ultra-superkritischen (USC) Dampfprozessen und 700[deg.]C-Maschinen) werden die thermischen Spannungen im Rotor 11, und dort besonders an den Befestigungsnuten 16 der Laufschaufeln 15, sehr gross. Man hat daher bereits überlegt, vor der ersten Befestigungsnut 16 im Umlenkbereich 27 des Rotors 11 eine sogenannte Spannungsentlastungsnut (27 in Fig. 2) vorzusehen, um die thermischen Spannungen in diesem Bereich abzubauen. Es wurde jedoch beobachtet, dass eine solche Spannungsentlastungsnut hohe aerodynamische Verluste verursacht, wenn sie sich im Strömungsweg befindet.

Wird die Spannungsentlastungsnut dagegen in den Bereich der Kolbendichtung 19 verschoben, wird entweder die Wirkung der Dichtung verringert, oder die ganze Maschine muss in axialer Richtung länger ausgeführt werden, oder die Spannungsentlastung durch die Spannungsentlastungsnut verringert sich.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0004] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Dampfturbine für den Mittel- oder Hochdruckbereich zu schaffen, welche die beschriebenen Nachteile bisheriger Lösungen vermeidet. Insbesondere soll eine Entlastung des Rotors von thermischen Spannungen im Einlaufbereich erreicht werden, ohne andere Eigenschaften der Maschine zu verschlechtern.

[0005] Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Wesentlich für die Erfindung ist, dass im Umlenkbereich vor der ersten Laufschaufelreihe zur Reduzierung der Spannungen in der Befestigungsnut der ersten Laufschaufelreihe im Rotor eine Spannungsentlastungsnut vorgesehen ist, und dass zum Schutz des Rotors vor hohen Temperaturen im Bereich der Spannungsentlastungsnut ein Hitzeschild angeordnet ist. Durch die Kombination von Spannungsentlastungsnut und Hitzeschild im Bereich der Spannungsentlastungsnut werden gleichzeitig thermische Spannungen abgebaut und die Oberfläche des Rotors in diesem Bereich vor zu hohen Temperaturen geschützt. Darüber hinaus eröffnet sich die Möglichkeit einer zusätzlichen Abdichtung und Kühlung im Bereich des Hitzeschildes.

[0006] Eine Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Hitzeschild zur Umlenkung des Dampfes von der radialen in die axiale Richtung gekrümmt ausgebildet ist.

[0007] Eine andere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Hitzeschild am Innengehäuse befestigt ist und ohne direkte Berührung des Rotors in die Spannungsentlastungsnut eintaucht. Insbesondere ist der Ausgleichskolben gegen das Innengehäuse mit einer Kolbendichtung abgedichtet, und der Hitzeschild ist gegen den Rotor mit einer Zusatzdichtung abgedichtet. Durch die Zusatzdichtung am Hitzeschild können allfällige Einbussen bei der Kolbendichtung zumindest ausgeglichen werden.

[0008] Gemäss einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist aber auch denkbar, dass der Ausgleichskolben gegen das Innengehäuse mit einer Kolbendichtung abgedichtet ist, dass der Hitzeschild unter Ausbildung eines Ringspaltes am Rotor anliegt, und dass zur Kühlung des Rotors im Bereich der Spannungsentlastungsnut eine Zuleitung zur Eindüsung eines Kühlmediums, insbesondere Kühldampfes, unter hohem Druck in einen Zwischenraum zwischen Ausgleichskolben und Hitzeschild vorgesehen ist.

[0009] Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sich der Hitzeschild von der Einlaufspirale bis zur stromabwärts gelegenen Kante der Spannungsentlastungsnut erstreckt und sowohl im Bereich der Einlaufspirale als auch am Eingang des Strömungskanals bündig anschliesst, wobei der Hitzeschild die durch die Spannungsentlastungsnut veränderte Umfangskontur des Rotors wiederherstellt.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

[0010] Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
<tb>Fig. 1<sep>in einem Ausschnitt einer vereinfachten Darstellung einen standardmässigen Aufbau einer Dampfturbine für den Hochdruckoder Mitteldruckbereich;

<tb>Fig. 2<sep>in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung eine Dampfturbine mit Spannungsentlastungsnut und Hitzeschild gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

<tb>Fig. 3<sep>in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung eine Dampfturbine mit Spannungsentlastungsnut und Hitzeschild gemäss einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

[0011] In Fig. 2 ist in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Dampfturbine 10 der Fig. 2 unterscheidet sich von der Dampfturbine 26 aus Fig. 1dadurch, dass im Umlenkbereich 27 vor der ersten Reihe von Laufschaufeln 15 zur Reduzierung der Spannungen in der Befestigungsnut 16 der ersten Laufschaufelreihe im Rotor 11 eine umlaufende Spannungsentlastungsnut 20 vorgesehen ist. In die Spannungsentlastungsnut 20 hinein ragt ein Hitzeschild 21, der zum Schutz des Rotors 11 vor den hohen Temperaturen des einströmenden Dampfes und zur Verbesserung der Aerodynamik vorgesehen ist.

Die Spannungsentlastungsnut 20 baut thermische und mechanische Spannungen im Bereich der Befestigungsnut 16 der ersten Laufschaufelreihe ab, während der gekrümmte Hitzeschild 21 trotz der Spannungsentlastungsnut 20 die Geometrie des Einströmbereiches weitgehend unverändert erhält und den Rotor 11 im Bereich der Spannungsentlastungsnut 20 gegen zu hohe Temperaturen effektiv abschirmt.

[0012] Der Hitzeschild 21 kann - wie in Fig. 2dargestellt - als separates Teil ausgebildet sein, das mittels Schrauben oder dgl. am Innengehäuse 12 befestigt wird. Es ist aber auch denkbar, dass der Hitzeschild 21 als ein integraler gegossener Teil des Innengehäuses 12 ausgeführt wird.

[0013] Wenn zwischen dem Hitzeschild 21 und dem Boden der Spannungsentlastungsnut 20 - wie in Fig. 2gezeigt - eine Zusatzdichtung 22 vorgesehen wird, ist, obwohl die Kolbendichtung 19 durch den Hitzeschild 21 verkürzt wird, die Dichtwirkung gegenüber der Konfiguration aus Fig. 1 unverändert oder sogar verbessert.

[0014] Vorzugsweise erstreckt sich der Hitzeschild 21 von der Einlaufspirale 14 bis zur stromabwärts gelegenen Kante der Spannungsentlastungsnut 20, wobei er sowohl im Bereich der Einlaufspirale 14 als auch am Eingang des Strömungskanals 13 bündig anschliesst. Hierdurch werden die aerodynamischen Verhältnisse gegenüber Fig. 1nur minimal oder gar nicht verändert.

[0015] Der durch die Zusatzdichtung 22 in die Spannungsentlastungsnut 20 einströmende Dampf ist wegen der Entspannung an der Zusatzdichtung 22 kälter. Daher wird die Temperatur der Rotoroberfläche in diesem Bereich verringert. Unabhängig davon kann die Querschnittskontur der Spannungsentlastungsnut 20 hinsichtlich der Verringerung der Spannungen in den Befestigungsnuten 16 optimiert werden.

[0016] Es kann zusätzlich im Eingangsbereich eine radiale Stufe vorgesehen werden, wie sie beispielsweise in der WO-A1-2006/048401 offenbart ist. Hierzu muss dann möglicherweise der Durchmesser der Einlaufspirale vergrössert werden. Stattdessen könnte aber auch die Eingangsstufe des Rotors entsprechend ausgelegt werden, um an die zusätzliche Gleichförmigkeit der Strömung angepasst zu sein.

[0017] Das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2hat die folgenden Vorteile:
Reduzierung der Spannungen im Rotor aufgrund der Spannungsentlastungsnut;
Reduzierung der Temperaturen auf dem Rotor im Umlenkbereich und in der Spannungsentlastungsnut und
eine sehr gute Dichtwirkung.

[0018] Dem steht das Erfordernis zusätzlicher Teile gegenüber, sowie eine mögliche Vergrösserung der Maschine und eine Redimensionierung des Ausgleichskolbens. Auch die Integration einer radialen Stufe erfordert zusätzlichen Aufwand.

[0019] Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3wird bei der dortigen Dampfturbine 10 gegenüber Fig. 2 auf die Zusatzdichtung zwischen Hitzeschild 21 und Spannungsentlastungsnut 20 verzichtet, so dass zwischen beiden ein offener Ringspalt 25 besteht. Hierdurch gelangt wieder der volle Dampfdruck auf den Ausgleichskolben 18, so dass die Kompensationswirkung des Ausgleichskolbens auch ohne eine Re-Dimensionierung voll erhalten bleibt. Andererseits erhöht sich jedoch durch den Wegfall der Zusatzdichtung die Temperatur im Bereich der Spannungsentlastungsnut 20 wieder. Um diesen Effekt aufzufangen, kann gemäss Fig. 3vorgesehen werden, unter Hochdruck stehenden Kühldampf 24 durch eine Zuleitung 23 im Innengehäuse 12 in die Spannungsentlastungsnut 20 einzudüsen.

Durch den eingedüsten Kühldampf 24 wird eine besonders gute Kühlung der Rotoroberfläche im Bereich der Spannungsentlastungsnut 20 und der nachfolgenden Schaufelbefestigungen erzielt, da der Kühldampf durch den Ringspalt 25 in den Strömungskanal 13 austreten kann. Um trotz des Wegfalls der Zusatzdichtung 22 dieselbe Dichtungswirkung wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 zu erreichen, müsste die Kolbendichtung 19 in axialer Richtung entsprechend verlängert werden.

[0020] Das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3hat somit die folgenden Vorteile:
Reduzierung der Spannungen im Rotor aufgrund der Spannungsentlastungsnut;
Reduzierung der Temperaturen auf dem Rotor im Umlenkbereich und in der Spannungsentlastungsnut;
eine gute Dichtwirkung;
ein bei gleichbleibenden Dimensionen des Ausgleichskolbens einstellbarer Axialdruck;
ein Hitzeschild, der nicht mit einem Axialdruck beaufschlagt ist und deshalb dünner ausgeführt werden kann und
erhebliche Reduktion der Temperaturen in der Labyrinthdichtung.

[0021] Dem steht das Erfordernis zusätzlicher Teile gegenüber, sowie eine mögliche Vergrösserung der Maschine. Die Integration einer radialen Stufe erfordert zusätzlichen Aufwand und es muss innerhalb des Prozesses zusätzlich Kühldampf abgezweigt bzw. bereitgestellt werde.

BEZUGSZEICHENLISTE

[0022]
<tb>10, 10, 26<sep>Dampfturbine

<tb>11<sep>Rotor

<tb>12<sep>Innengehäuse

<tb>13<sep>Strömungskanal (Ringkanal

<tb>14<sep>Einlaufspirale

<tb>15<sep>Laufschaufel

<tb>16<sep>Befestigungsnut

<tb>17<sep>Leitschaufel

<tb>18<sep>Ausgleichskolben

<tb>19<sep>Kolbendichtung

<tb>20<sep>Spannungsentlastungsnut

<tb>21<sep>Hitzeschild (gekrümmt)

<tb>22<sep>Zusatzdichtung

<tb>23<sep>Zuleitung

<tb>24<sep>Kühldampf

<tb>25<sep>Ringspalt

<tb>27<sep>Umlenkbereich

Claims

1. Dampfturbine (10, 10), insbesondere für den Hochdruck- oder Mitteldruckbereich, welche Dampfturbine (10, 10) einen um eine Achse drehbar gelagerten Rotor (11) umfasst, der von einem Innengehäuse (12) mit Abstand konzentrisch umgeben ist, wobei zwischen dem Rotor (11) und dem Innengehäuse (12) ein Strömungskanal (13) ausgebildet ist, der eingangsseitig in axialer Richtung von einem am Rotor (11) angeordneten Ausgleichskolben (18) begrenzt wird, und in welchen in Strömungsrichtung abwechselnd Laufschaufeln (15) und Leitschaufeln (17) radial hineinragen, und wobei am Anfang des Strömungskanals (13) am Innengehäuse (12) eine Einlaufspirale (14) ausgebildet ist, durch die Dampf von aussen radial nach innen geführt und in einem Umlenkbereich (27) in axiale Richtung zum Eingang des Strömungskanals (13) umgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Umlenkbereich (27)

vor der ersten Laufschaufelreihe (15) zur Reduzierung der Spannungen in der Befestigungsnut (16) der ersten Laufschaufelreihe (15) im Rotor (11) eine Spannungsentlastungsnut (20) vorgesehen ist, und dass zum Schutz des Rotors (11) vor hohen Temperaturen im Bereich der Spannungsentlastungsnut (20) ein Hitzeschild (21) angeordnet ist.

2. Dampfturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hitzeschild (21) zur Umlenkung des Dampfes von der radialen in die axiale Richtung gekrümmt ausgebildet ist.

3. Dampfturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hitzeschild (21) am Innengehäuse (11) befestigt ist und ohne direkte Berührung des Rotors (11) in die Spannungsentlastungsnut (20) eintaucht.

4. Dampfturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichskolben (18) gegen das Innengehäuse (12) mit einer Kolbendichtung (19) abgedichtet ist, und dass der Hitzeschild (21) gegen den Rotor (11) mit einer Zusatzdichtung (22) abgedichtet ist.

5. Dampfturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichskolben (18) gegen das Innengehäuse (12) mit einer Kolbendichtung (19) abgedichtet ist, dass der Hitzeschild (21) unter Ausbildung eines Ringspaltes (25) am Rotor (11) anliegt, und dass zur Kühlung des Rotors (11) im Bereich der Spannungsentlastungsnut (20) eine Zuleitung (23) zur Eindüsung eines Kühlmediums, insbesondere Kühldampfes (24), unter hohem Druck in einen Zwischenraum zwischen Ausgleichskolben (18) und Hitzeschild (21) vorgesehen ist.

6. Dampfturbine nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Hitzeschild (21) von der Einlaufspirale (14) bis zur stromabwärts gelegenen Kante der Spannungsentlastungsnut (20) erstreckt und sowohl im Bereich der Einlaufspirale (14) als auch am Eingang des Strömungskanals (13) bündig anschliesst.

7. Dampfturbine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hitzeschild (21) die durch die Spannungsentlastungsnut (20) veränderte Umfangskontur des Rotors (11) wiederherstellt.