DE10003516C2 - Turbinenrotor für eine Dampfturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Turbinenrotor für eine Dampfturbine mit einem Turbinengehäuse, in dem zwei oder mehr Turbinendruckabschnitte, die einen Hochdruckturbinenabschnitt, einen Mitteldruckturbinenabschnitt und einen Niederdruckturbinenabschnitt enthalten, kombiniert und aufgenommen sind.

Bei einer herkömmlichen Dampfturbine ist, um die Ausgangsleistung zu vergrößern, ein Turbinengehäuse in ein Hochdruckturbinengehäuse, ein Mitteldruckturbinengehäuse und ein Niederdruckturbinengehäuse unterteilt, und in jedem der Gehäuse ist ein Turbinenrotor (Turbinenwelle) mit einer Turbinendüse und einer beweglichen Turbinenschaufel aufgenommen, wodurch ein Hochdruckturbinenabschnitt, ein Mitteldruckturbinenabschnitt und ein Niederdruckturbinenabschnitt gebildet sind. Die herkömmliche Dampfturbine wird als sogenannter Leistungszug betrieben, bei dem die Wellen der Turbinenrotoren des hohen, mittleren und niedrigen Turbinendruckabschnitts in Form eines Zuges miteinander verbunden sind.

Wenn die Hoch-, Mittel und Niederdruckturbinenabschnitte als Leistungszug angeordnet sind, nimmt die Dampfturbine eine Spannweite bzw. Länge von wenigstens etwa 30 Metern an, wobei dies von der Größe der Ausgangsleistung abhängt. Es wurde deshalb eine Turbine der sogenannten Hoch-Niederdruck-integrierten Bauart oder Turbine der Hoch-Mitteldruck- integrierten Bauart ausgeführt, bei der zwei oder mehr der Hoch-, Mittel- und Niederdruckturbinenabschnitte in einem Gehäuse kombiniert und aufgenommen sind, um die Spannweite zu vermindern.

Wenn die Dampfturbine eine Turbine der Hoch-Niederdruck-integrierten Bauart oder der Hoch-Mitteldruck-integrierten Bauart ist, muß ihr Turbinenrotor unvermeidlich viele Arten von Dampf mit unterschiedlichen Temperaturen verarbeiten. In jüngerer Zeit wurde eine Turbine der Hoch-Niederdruck- integrierten Bauart oder eine Turbine der Hoch-Mitteldruck-integrierten Bauart ausgeführt, bei der ein Teil eines Turbinenrotors, der Dampf mit hohem Druck und hoher Temperatur unter verschiedenen thermischen Behandlungsbedingungen ausgesetzt ist, mit Hochtemperaturfestigkeit versehen und ein anderer Bereich davon, der Dampf mit relativ niedrigem Druck und niedriger Temperatur ausgesetzt ist, mit Zugfestigkeit und Niedertemperaturzähigkeit versehen. Eine solche Turbine der Hoch- Niederdruck-integrierten Bauart oder einer Hoch-Mitteldruck-integrierten Bauart hat eine Anzahl guter Praxiswerte gezeigt.

Weiter wurde in einem neueren thermischen Kraftwerk eine Anzahl von Kraftwerken mit kombiniertem Zyklus ausgeführt, bei dem anstelle eines herkömmlichen Kraftwerks eine Dampfturbine und eine Abwärmewiedergewinnungseinrichtung in einer Gasturbine kombiniert sind.

Eine in diesem mit kombiniertem Zyklus arbeitenden Kraftwerk verwendete Dampfturbine wird in einem Zustand verwendet, daß bezüglich der Dampfturbine, wobei im Hinblick auf den derzeitigen Status von Gasturbinenausgangsleistungen von 100 MW, eine mit einer Ausgangsleistung von 100 MW gewählt ist, ein Dampfdruck auf 100 kg/cm² festgelegt ist, eine Dampftemperatur auf 500°C festgelegt ist, eine Höhe einer beweglichen Turbinenschaufel der letzten Stufe der Niederdruckturbine auf 36 inch (91,4 cm) oder mehr in einem Bereich von 50 Hertz bei 3000 U/min festgelegt ist, und die Höhe auf 33,5 inch (85,1 cm) oder mehr in einem Bereich von 60 Hertz bei 3600 U/min festgelegt ist. In diesem Fall ist die Dampfturbine als eine Turbine der sogenannten uniaxialen Bauart ausgeführt, bei der eine Dampfturbinenwelle direkt mit der Gasturbine verbunden ist. Daher wird als eine Turbine der Hoch- Niederdruck-integrierten Bauart oder eine Turbine der Hoch-Mitteldruck- integrierten Bauart als die Dampfturbine verwendet, wodurch eine Spannweite zwischen den Lagern verkürzt ist und eine Einbaufläche vermindert ist.

Wie vorstehend beschrieben, ist bei dem Kraftwerk mit kombiniertem Zyklus, das anstelle des herkömmlichen Kraftwerks der Hauptentwicklungsrichtung entspricht, die Anzahl der Wellen der Gasturbinen, die direkt mit den Dampfturbinen verbunden sind, auf fünf oder mehr festgelegt, so daß eine Gesamtausgangsleistung 1000 MW oder höher wird, wobei die Dampfturbine als Turbine der Hoch-Niederdruck-integrierten Bauart oder als Turbine der Hoch-Mitteldruck-integrierten Bauart ausgeführt ist, so daß eine Einbaufläche der fünf Wellenanordnung weiter vermindert ist, um einen Platz oder ein Grundstück wirksam auszunutzen.

Bei einem jüngeren thermischen Kraftwerk wird eine der Turbine der Hoch- Niederdruck-integrierten Bauart und der Turbine der Hoch-Mitteldruck- integrierten Bauart als eine Dampfturbine ausgewählt, die in dem mit kombinierten Zyklus arbeitenden Kraftwerk verwendet wird, wodurch die Einbaufläche weiter vermindert wird. Dabei bestehen jedoch noch die folgenden Probleme:

• 1. Bei einer mit einem Turbinenrotor versehenen Dampfturbine enthält der Turbinenrotor einen Hoch-, Mittel-, Niederdruckabschnitt oder einen Hoch- Niederdruckabschnitt, wobei ein Hoch-Mitteldruckabschnitt mit hoher Temperaturfestigkeit (Kriechfestigkeit) versehen ist und ein Niederdruckabschnitt mit hoher Zugfestigkeit und hoher Zähigkeit versehen ist. Eine solche Dampfturbine ist bereits dabei, Grenzen zu erreichen, um gleichzeitig die sich jeweils widersprechenden Funktionen hoher Temperaturfestigkeit, hoher Zugfestigkeit und ähnlichem zu erfüllen und diese Festigkeiten weiter zu erhöhen. Das heißt, wenn versucht wird, ein Volumen einer einzigen Dampfturbine weiter zu vergrößern, ist es unvermeidlich notwendig, die Temperatur des Dampfes zu vergrößern und die Länge der Turbinenschaufel zu vergrößern. Bei einem Turbinenrotor mit dem herkömmlichen Hoch-Mittel-Niederdruckabschnitt oder dem Hoch- Niederdruckabschnitt ist es jedoch schwierig, ausreichende Festigkeit einschließlich hoher Temperaturfestigkeit und Vibrationsfestigkeit sicherzustellen. Aus diesem Grunde ist eine Gegenmaßnahme erforderlich, um die Festigkeit des Turbinenrotors sicherzustellen, die im Hinblick auf die hohe Temperatur des Dampfes erforderlich ist.
• 2. Wenn die thermischen Behandlungstemperaturen des Hoch-, Mitteldruckabschnitts und des Niederdruckabschnitts gegenseitig verändert werden, um den Hoch-Mittelabschnitt oder den Hochdruckabschnitt mit hoher Temperaturfestigkeit zu versehen und den Niederdruckabschnitt mit Zugfestigkeit und Zähigkeit zu versehen, wird zwischen dem Hoch- Mitteldruckabschnitt und dem Niederdruckabschnitt ein Spalt vorgesehen. Weiter wird in dem Spalt eine Trennplatte vorgesehen, und die thermische Temperaturgradientenbehandlung wird durchgeführt. Wenn der Krümmungsradius eines Nutgrundes (nachfolgend Hitzenut) des Spaltes klein ist, besteht das Problem, daß bei der thermischen Temperaturgradientenbehandlung ein Abschreck-, bzw. ein Härteriß in dem Turbinenrotor erzeugt wird.
• 3. Wenn die thermische Temperaturgradientenbehandlung in einem Zustand durchgeführt wird, bei dem der Spalt zwischen dem Hoch- Mitteldruckabschnitt und dem Niederdruckabschnitt ausgebildet ist und die Trennplatte in dem Spalt vorgesehen ist, ist, wenn die Dampftemperatur an der Stelle, an der die Trennplatte angeordnet ist, 400°C oder mehr beträgt, die Hochtemperaturfestigkeit des Hoch-Mitteldruckabschnitts nach der thermischen Behandlung nicht ausreichend und die Hochtemperaturzähigkeit ist nicht ausreichend, was nachteilig und fehlerhaft ist.
• 4. Wenn der Hoch-Mitteldruckabschnitt und ähnliches und der Niederdruckabschnitt der thermischen Temperaturgradientenbehandlung unterworfen werden, wird, da es notwendig ist, eine Stelle, an der die Trennplatte angeordnet ist, zu sichern, der Turbinenrotor mit dem Spalt versehen und deshalb nimmt die Spannweite des Turbinenrotors unvermeidlich zu. Beim Sichern der Stelle zur Anordnung der Trennplatte ist es daher notwendig, die Spannweite des Turbinenrotors zu verkürzen, um die Stelle zu sichern, an der die Trennplatte angeordnet ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Die DE-PS 551 574 von der im Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgegangen wird, beschreibt eine Einrichtung zum Abschalten von Turbinenabschnitten eines Abdampfgehäuses oder eines Kondensators einer abgestellten oder mit niedriger Drehzahl laufenden Dampfturbine, die zwecks Heißhaltens von einem gas- oder dampfförmigen Wärmeträger durchströmt werden, wobei die Abschaltvorrichtung bildende radial bewegliche Schieber mit einem gemeinsamen Steuerring verbunden sind, der von außen angetrieben wird. Dabei wird die Turbine bzw. deren Rotor auf der während des normalen Betriebs herrschenden Temperatur gehalten. Eine gezielte, unterschiedliche und an die jeweiligen Anforderungen angepaßte Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften des Hochdruckabschnittes und des Niederdruckabschnittes des Turbinenrotors ist nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Turbinenrotor zu schaffen, dessen den unterschiedlichen Druckabschnitten der Turbine entsprechende Abschnitte hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften an die unterschiedlichen Anforderungen angepaßt sind, so dass sie den auftretenden mechanischen Belastungen sicher Stand halten.

Diese Aufgabe wird mit einem Turbinenrotor gemäß dem Anspruch 1 gelöst.

Der erfindungsgemäße Turbinenrotor ist an einer wohl definierten Stelle mit einem Ringspalt versehen, in den eine Trennplatte einsetzbar ist, um an den unterschiedlichen Sektionen des Rotors unterschiedliche thermische Gradientenbelnandlungen durchzuführen, um die erwünschten mechanischen Eigenschaften zu erhalten.

Die Unteransprüche 2 bis 8 sind auf vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Turbine gerichtet.

Wie vorstehend beschrieben, wird bei einer erfindungsgemäßen Dampfturbine, wenn der Hoch-, Mitteldruckturbinenabschnitt und der Niederdruckturbinen­ abschnitt oder der Hochdruckturbinenabschnitt und der Niederdruckturbinen­ abschnitt des Turbinenrotors der thermischen Gradientenbehandlung unterschiedlichen Temperaturen unterworfen werden, eine Festlegposition der letzten Stufe des Niederdruckturbinenabschnitts als ein Bezug genommen, eine Schaufellänge der beweglichen Schaufel in der letzten Stufe, ein axialer Abstand zwischen der letzten Stufe und der Festlegposition der Trennplatte für die thermische Gradientenbehandlung, und ein axialer Abstand zwischen der zweiten Stufe von der letzten Stufe und der Festlegposition der Trennplatte für die thermische Gradientenbehandlung werden umfänglich berücksichtigt, um eine geeignete Position der Trennplatte für die thermische Gradientenbehandlung festzulegen. Daher kann durch den Hoch-Mitteldruckturbinenabschnitt oder den Hochdruckturbinenabschnitt eine hohe Temperaturfestigkeit sichergestellt werden, und kann durch den Niederdruckturbinenabschnitt eine hohe Zugfestigkeit und Zähigkeit sichergestellt werden. Es ist daher möglich, der Tendenz zu hohen Temperaturen eines einzelnen Vorrichtungsvolumens und zu einer hohen Ausgangsleistung in genügender Weise entgegenzukommen.

Da die Lagerspannweite auf eine geeignete Position festgelegt ist, so daß die rechnerische bzw. Nenndrehzahl des Turbinenrotors ausreichend weit weg von dem kritischen Drehzahlbereich verschoben bzw. verstimmt werden kann, ist es bei der erfindungsgemäßen Dampfturbine weiter möglich, den Turbinenrotor sicher und stabil zu betreiben.

Die Natur und weitere charakteristische Merkmale der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen deutlich.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

In den Zeichnungen stellen dar:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dampfturbine;

Fig. 2 ein schematisches Diagramm zur Erläuterung einer thermischen Gradientenbehandlungseinrichtung zur Durchführung an der erfindungsgemäßen Dampfturbine;

Fig. 3 eine Kurve, die die FATT-Verteilung in der Nähe der Trennplatte zeigt, die zum Zeitpunkt der thermischen Gradientenbehandlung angeordnet ist;

Fig. 4 eine Kurve, die die FATT-Verteilung eines herkömmlichen Turbinenrotors zeigt, der keiner thermischen Gradientenbehandlung unterworfen wird;

Fig. 5 eine Kurve, die die FATT-Verteilung zum Festlegen einer notwendigen Position zur Anordnung der Trennplatte für die thermische Gradientenbehandlung von jeder der Position von L-1 und L-0 bei der thermischen Gradientenbehandlungseinrichtung zur Durchführung für die erfindungsgemäße Dampfturbine zeigt;

Fig. 6 eine Kurve, die die FATT-Verteilung zum Erhalten eines erlaubten Zähigkeitsunterschiedes in der Position L-0 in der thermischen Gradientenbehandlungseinrichtung zur Durchführung für die erfindungsgemäße Dampfturbine zeigt;

Fig. 7 eine Kurve, die die erlaubte Zähigkeitsunterschiedsverteilung zum Erhalten eines Verhältnisses zwischen einem axialen Abstand von der L-0- Position zu der Trennwand für die thermische Gradientenbehandlung und einer Länge einer beweglichen Turbinenschaufel in der L-0-Position zeigt;

Fig. 8 ein schematisches Diagramm einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dampfturbine;

Fig. 9 eine schematische Schnittansicht einer dritten Ausführungsform einer zusammengebauten erfindungsgemäßen Dampfturbine;

Fig. 10 ein schematisches Diagramm einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dampfturbine und

Fig. 11 eine Kurve einer kritischen Drehzahl eines Turbinenrotors zur Darstellung der Beziehung zwischen einer Spannweite zwischen Lagern und der kritischen Drehzahl.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und die darin angegebenen Bezugszeichen oder Symbole Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Dampfturbine erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dampfturbine.

Eine Dampfturbine der ersten Ausführungsform wird in einem mit kombinierten Zyklus arbeitenden Kraftwerk mit folgenden Hauptauslegungen verwendet; der Dampfdruck beträgt 100 kg/cm² oder mehr; die Dampftemperatur beträgt 500°C oder mehr; und eine Länge der an einer letzten Stufe eines Niederdruckbereiches des Turbinenrotors vorgesehenen beweglichen Schaufel beträgt 30 inch (76,2 cm) oder mehr.

Die Dampfturbine dieser Ausführungsform hat beispielsweise einen Aufbau der Hoch-Mittel-Niederdruck-integrierten Bauart. Bei dieser Dampfturbine sind ein Hochdruckturbinenabschnitt 1, ein Mitteldruckturbinenabschnitt 2 und ein Niederdruckturbinenabschnitt 3 miteinander zu einem Hoch-Mittel-Niederdruck- integrierten Turbinenrotor (Turbinenwelle 4) integriert und in einem Turbinengehäuse 5 aufgenommen.

Der Hoch-Mlittel-Niederdruck-integrierte Turbinenrotor 4 enthält eine Hochdruckturbinenstufe 8a, eine Mitteldruckturbinenstufe 8b und eine Niederdruckturbinenstufe 8c, in denen Turbinendüsen 6 und bewegliche Turbinenschaufeln 7 jeweils in dem Hochdruckturbinenabschnitt 1, dem Mitteldruckturbinenabschnitt 2 und dem Niederdruckturbinenabschnitt 3 kombiniert sind. Der Hoch-Mittel-Niederdruck-integrierte Turbinenrotor 4 ist von der sogenannten Axialströmungsbauart, bei der eine Mehrzahl von Stufen, d. h. die Turbinenstufen 8a, 8b und 8c längs einer Strömungsrichtung ausgebildet sind.

Voneinander abgewandte Enden des Hoch-Mittel-Niederdruck-integrierten Turbinenrotors 4 werden von Lagern 10a und 10b drehbar getragen, beispielsweise von an jeweiligen Basisteilen 9a und 9b angebrachten Radiallagern.

Damit der Hochdruckturbinenabschnitt 1 und der Mitteldruckturbinenabschnitt 2 eine hohe Temperaturfestigkeit (Kriechfestigkeit) und der Niederdruckturbinenabschnitt 3 eine Raumtemperaturfestigkeit (Zugfestigkeit) und hohe Zähigkeit erhalten, ist bei dem Hoch-Mittel-Niederdruck-integrierten Turbinenrotor 4 eine Einsatznut 11a für eine Trennplatte 11 an einer Grenze zwischen dem Mitteldruckturbinenabschnitt 2 und dem Niederdruckturbinenabschnitt 3 vorgesehen, wobei die Trennplatte eingesetzt wird, wenn eine sogenannte thermische Gradientenbehandlung ausgeführt wird, bei der Abkühl- bzw. Abschrecktemperaturen an jeweiligen Bereichen unterschiedlich sind. Im Fall des Hoch-Niederdruck-integrierten Turbinenrotors ist die Einsatznut 11a für die Trennplatte 11 an einer Grenze zwischen dem Hochdruckturbinenabschnitt 1 und dem Niederdruckturbinenabschnitt 3 vorgesehen.

Bei der thermischen Gradientenbehandlungseinrichtung ist, wie in Fig. 2 dargestellt, ein Hoch-Niederdruck- oder Hoch-Mittel-Niederdruck-integrierter Turbinenrotor 4 in einem thermischen Behandlungsofen 12, beispielsweise einem senkrechten elektrischen Ofen aufgenommen, wobei die Trennplatte 11 in einer Grenze zwischen dem Mitteldruckturbinenabschnitt 2 und dem Niederdruckturbinenabschnitt 3 vorgesehen ist (im Fall des Hoch-Niederdruck- integrierten Turbinenrotors ist die Trennplatte 1 an der Grenze zwischen dem Hochdruckturbinenabschnitt 1 und dem Niederdruckturbinenabschnitt 3 vorgesehen), wobei der Hochdruckturbinenabschnitt 1 und der Mitteldruckturbinenabschnitt 2 auf eine Temperatur von beispielsweise 955°C erhitzt werden, und der Niederdruckturbinenabschnitt 3 beispielsweise auf eine Temperatur von 900°C erhitzt wird. Anschließend werden der Hochdruckturbinenabschnitt 1 und der Mitteldruckturbinenabschnitt 2 von einem Ventilator 13 für relativ lange Zeit zwangsabgekühlt und der Niederdrucktemperaturabschnitt wird von Sprühwasser aus einem Sprühbereich 14 rasch abgekühlt.

Im Fall des Hoch-Mittel-Niederdruck-integrierten Turbinenrotors 4, bei dem der Hochdruckturbinenbereich 1 und der Mitteldruckturbinenbereich 2 bei einer von der Temperatur des Niederdruckturbinenabschnitts 3 verschiedenen Temperatur gradientenerhitzt werden und nach dem Gradientenerhitzen diese Druckabschnitte, wie in Fig. 3 dargestellt, mit unterschiedlicher Geschwindigkeit abgekühlt werden, wird in einem Zwischenbereich als eine Grenze der für die thermische Gradientenbehandlung angeordneten Trennplatte 1 zwischen einem stabilen FATT-Wert (Fracture Appearance Transition Temperature Value = Bruchaussehensübergangstemperaturwert), der für die Konstruktion auf der Seite des Hochdruckturbinenbereiches 1 und des Mitteldruckturbinenabschnitts 2 erforderlich ist, und dem stabilen FATT-Wert, der für die Konstruktion auf der Seite des Niederdruckturbinenabschnitts 3 erforderlich ist, ein Übergang erzeugt. Dieser Übergangsbereich ist ein Bereich, in dem die Raumtemperaturfestigkeit (Zugfestigkeit) und die Zähigkeit aus Sicht des Niederdruckturbinenabschnitts 3 unstabil sind, und die Hochtemperaturfestigkeit (Kriechfestigkeit) aus Sicht des Hochdruckturbinenabschnitts 1 und des Mitteldruckturbinenabschnitts 2 unstabil ist. Wenn die letzte Niederdruckturbinenstufe 8c in dem Niederdruckturbinenabschnitt 3 beispielsweise in dem Übergangsbereich angeordnet ist, kann aus diesem Grund die Niederdruckturbinenstufe 8c einer Zentrifugalkraft nicht standhalten, die während der Drehung der beweglichen Turbinenschaufel 7 erzeugt wird, und es besteht die Gefahr, daß der Hoch-Mittel-Niederdruck-integrierte Turbinenrotor 4 zerstört wird.

Im Fall eines Turbinenrotors, der keiner thermischen Gradientenbehandlung ausgesetzt wird, wie in Fig. 4 dargestellt, in der die senkrechte Achse einen FATT-Wert und die waagrechte Achse eine Länge der Turbinenrotorwelle darstellen, liegt des weiteren nur der mit einer durchgehenden Linie dargestellte FATT-Wert des Turbinenrotors unter dem FATT-Wert, der für die Konstruktion einer Niederdruckturbinenstufe 8c (im folgenden Position L-2 oder L-2-Position) notwendig ist, die eine dritte Niederdruckturbinenstufe 8c von der letzten Stufe des Niederdruckturbinenabschnitts 3 ist, wie mit einer doppelt gepunkteten unterbrochenen Linie dargestellt. Weiter sind der FATT-Wert, der für die Konstruktion einer Niederdruckturbinenstufe 8c (im folgenden Position L-1 oder L1-Position) notwendig ist, die eine zweite Niederdruckturbinenstufe von der letzten Stufe des Niederdruckturbinenabschnitts 3 ist, wie mit einer strichpunktierten Linie dargestellt, und der FATT-Wert, der für die Konstruktion bzw. den Entwurf einer Niederdruckturbinenstufe 8c (im folgenden Position L-0 oder L-0-Position) notwendig ist, die die letzte Stufe des Niederdruckturbinenabschnitts 3 ist, wie mit einer gestrichelten Linie dargestellt, beide niedriger als der FATT-Wert des Turbinenrotors, der mit der ausgezogenen Linie dargestellt ist. Wenn eine an der Stelle L-1 oder L-0 angeordnete bewegliche Turbinenschaufel 7 30 inch (76,2 cm) lang oder länger ist, kann der Turbinenrotor daher der Zentrifugalkraft der beweglichen Turbinenschaufel 7, die während der Drehung erzeugt wird, nicht standhalten und es besteht die Gefahr, daß der Turbinenrotor zerstört wird. Der vorstehende Punkt wird bei der vorliegenden Ausführungsform berücksichtigt. Bezugnehmend auf Fig. 1 ist die bewegliche Turbinenschaufel 7, die an der Stelle L-0 angeordnet ist, als ein Bezug definiert; ein axialer Abstand von der beweglichen Bezugsturbinenschaufel 7 zu der Einschubnut 11a für die Trennplatte ist als A definiert; eine Länge der beweglichen Turbinenschaufel an der Stelle L-0 ist als B definiert; und ein axialer Abstand von der beweglichen Turbinenschaufel 7 an der Stelle L-1 zu der Trennplatte 11 ist als C definiert. Ein Verhältnis A/B des axialen Abstandes A an der Position L-0 und der Schaufellänge B an der Position L-0 und der axiale Abstand C an der Position L-1 werden in den folgenden Bereichen festgelegt:

(A/B) ≧ 0,9

C ≧ 300 mm

Als der Turbinenrotor konstruiert bzw. entworfen wurde, wurde der FATT-Wert an der Position L-1 als eine Entwurfsrichtlinie genommen und der axiale Abstand C zwischen der beweglichen Turbinenschaufel 7 an der Position L-1 und der Trennplatte 11 wurde derart festgelegt, daß er gleich oder kleiner als 300 mm war, basierend auf den folgenden Gründen:
Es ist allgemein bekannt, daß in dem Hoch-Mittel-Nieder-integrierten Turbinenrotor 4 eine Spannung bzw. Beanspruchung an einem mittleren Bereich halb so groß oder kleiner als eine Bohrungsspannung bzw. -beanspruchung eines Turbinenrotors mit einer zentralen Bohrung ist. In diesem Fall ist bekannt, daß eine Bohrungsspannung bzw. -beanspruchung an der Position L-0 von einer Abmessung der beweglichen Turbinenschaufel 7 beeinflußt wird, aber eine Bohrungsbeanspruchung an der Position L-1 auf einem im wesentlichen konstanten Wert aufrechterhalten wird, selbst wenn die Länge der beweglichen Turbinenschaufel 7 30 inch (76,2 cm) oder mehr beträgt. Da die Dampfauslegungstemperatur unabhängig von der Länge der beweglichen Turbinenschaufel 7 an der Position L-0 bestimmt wird, ist des weiteren der für den Entwurf erforderliche FATT-Wert an der Position L-1 im wesentlichen konstant, unabhängig von der Länge der an der Stelle L-1 angeordneten beweglichen Turbinenschaufel 7.

Unter diesen Umständen wird beim Entwurf des hoch-mittel-niedrig-integrierten Turbinenrotors 4 der FATT-Wert an der Stelle L-1 als ein Auswahlkriterium für den Entwurf festgelegt.

Wie in Fig. 5 dargestellt, ist der Turbinenrotor, der der thermischen Gradientenbehandlung unterworfen wurde, derart aufgetragen, daß die FATT- Verteilungslinie mit einer durchgehenden Linie dargestellt ist, wohingegen die FATT-Verteilungslinie an der Position L-1, die für den Entwurf erforderlich ist, strichpunktiert dargestellt ist, und die FATT-Verteilungslinie an der Position L-0, die für den Entwurf erforderlich ist, unterbrochen dargestellt ist.

Dabei wurde nach einem Überblick herausgefunden, daß ein Schnittpunkt L-1 der FATT-Verteilungslinie an der Position L-1 und einer FATT-Verteilungslinie des Turbinenrotors, der der thermischen Gradientenbehandlung unterworfen wurde, 300 mm weg von einer Position war, an der die Trennplatte 11 für die thermische Gradientenbehandlung angeordnet war.

Wenn eine axiale Entfernung C der Position L-1 von der Position, an der die Trennplatte 11 für die thermische Gradientenbehandlung angeordnet ist, 300 mm übersteigt, wird der FATT-Wert, der für den Entwurf notwendig ist, daher zuverlässig sichergestellt. Da ein axialer Abstand A der Position L-0 durch einen Abstand zwischen der Trennplatte und der Stelle des Schnittpunktes L0 der FATT Verteilungskurve an der Position L-0 und der Verteilungskurve des Turbinenrotors, der der thermischen Gradientenbehandlung unterworfen wurde, bestimmt wird, kann die Position L-0 an dem Schnittpunkt L0 oder einer entgegengesetzten Seite des Schnittpunktes L1 weg vom Schnittpunkt L0 angeordnet werden.

Als nächstes wird das Verhältnis A/B des L-0 axialen Abstandes und der Schaufellänge an der L-0-Position auf A/B < 0,9 festgesetzt, basierend auf dem folgenden Grund.

Die FATT-Verteilungslinie des Turbinenrotors, der der thermischen Gradientenbehandlung unterworfen wurde, und die FATT-Verteilungslinie der L- 0-Position, die für den Entwurf erforderlich ist, sind in Fig. 6 dargestellt. Im vorliegenden Fall wird eine festgesetzte Position der Trennplatte 11 für die thermische Gradientenbehandlung auf einen Punkt X1 bezüglich der L-0- Position festgelegt. Dabei ist der erlaubte Zähigkeitsunterschied des Niederdruckturbinenabschnitts 3 an der Position L-0 ΔFATT1. Der erlaubte Zähigkeitsunterschied ΔFATT1 des Niederdruckturbinenbereiches 3 an der L-0- Position ist dabei durch die folgende Gleichung definiert:

ΔFATT = (FAll-Wert, der für den Entwurf an der L-0-Position erforderlich ist) - (aktueller FATT-Wert an der L-0-Position). Wenn die festgelegte Position der Trennplatte 11 für die thermische Gradientenbehandlung zu der stromaufwärtigen Seite des Dampfes (Turbinenantriebsdampf) von dem Punkt X1 zu dem Punkt X2 bewegt wird, wobei die L-0-Position als Bezug genommen wird, kommt bei dieser Definitionsgleichung die FATT-Verteilungslinie in eine durch die gestrichelte Linie dargestellte Position. Der erlaubte Zähigkeitsunterschied des Niederdruckturbinenabschnitts 3 in der L-0-Position ist dabei ΔFATT2. Es wurde bestätigt, daß der erlaubte Zähigkeitsunterschied größer wird, wenn die Festlegungsposition der Trennplatte 11 weg von der L-0- Position war.

Die vorliegende Ausführungsform richtet die Aufmerksamkeit auf die Tatsache, daß, wenn die festgelegte Position der Trennplatte 11 weg von der L-0-Position war, der erlaubte Zähigkeitsunterschied größer würde. In Fig. 7 zeigt die senkrechte Achse einen erlaubten Zähigkeitsunterschiedswert des Niederdruckturbinenabschnitts 3 in der L-0-Position und eine waagrechte Achse zeigt ein Verhältnis (A/B) des axialen Abstandes A zwischen der L-0-Position und der Trennplatte 11 und der Schaufellänge B. Es wurde herausgefunden, daß, wenn der erlaubte Zähigkeitsunterschied des Niederdruckturbinenbereiches 3 in der L-0-Position, erhalten, wenn der axiale Abstand A eine Variable war, aufgetragen wurde, sich eine Verteilungskurve gemäß der ausgezogenen Linie ergibt. Da der erlaubte Zähigkeitsunterschied des Niederdruckturbinenabschnitts 3 in der L-0-Position dabei aufgetragen wurde und die Verteilungslinie unterbrochen dargestellt wurde, wurde herausgefunden, daß das Verhältnis (A/B) des axialen Abstandes A und der Schaufellänge B, das der Schnittpunkt war, 0,9 betrug, und es war ein Grenzpunkt, wo die bewegliche Turbinenschaufel 7 in der L-0-Position angeordnet werden konnte.

Da das Verhältnis (A/B) des axialen Abstandes A und der Schaufellänge B in einem Bereich von A/B ≧ 0,9 festgelegt wurde, ist es auf diese Weise bei der beschriebenen Ausführungsform möglich, zu erreichen, daß der hoch-mittel- nieder-integrierte Turbinenrotor 4, der der thermischen Gradientenbehandlung unterworfen wurde, sicher und stabil betrieben wird.

Fig. 8 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dampfturbine.

Wenn bei der Dampfturbine entsprechend der zweiten Ausführungsform der hoch-mittel-niedrig-integrierte Turbinenrotor 4 der thermischen Gradientenbehandlung unterworfen wird, werden, wenn ein Abstand bzw. eine Breite eines Spalts EP zur Aufnahme der Trennplatte 11 für die thermische Gradientenbehandlung zwischen dem Niederdruckturbinenabschnitt 3 und dem Hochdruckturbinenabschnitt 1 oder dem Mitteldruckturbinenabschnitt 2 als H definiert wird und ein Krümmungsradius einer Heizgruppe eines Zwischenbereiches IP, der den Mitteldruckturbinenabschnitt 2 und den Niederdruckturbinenabschnitt 3 miteinander verbindet, als R definiert wird, H und R in den folgenden Bereichen festgelegt:

H ≧ 140 mm,

R ≧ 70 mm

Diese numerischen Werte sind vernünftige Werte, mit denen ein Abschreckriß bei der thermischen Gradientenbehandlung verhindert werden kann, und dies wurde im Experiment bestätigt.

Bei der Dampfturbine der vorliegenden Ausführungsform wird der Spalt EP, in dem die Trennplatte 11 für die thermische Gradientenbehandlung aufgenommen wird, an einer Stelle angeordnet, an der die Dampftemperatur (Turbinenantriebsdampf) 400°C oder weniger wird.

Wie vorstehend beschrieben, wird bei der vorliegenden Ausführungsform der Abstand H bzw. die Breite des Spaltes EP, in der die Trennplatte 11 für die thermische Gradientenbehandlung aufgenommen wird, zwischen dem Mitteldurckturbinenabschnitt 2 und dem Niederdruckturbinenabschnitt 3 auf einen Bereich von H ≧ 140 mm festgelegt, der Krümmungsradius R der Heizgruppe des Mitteldruckbereiches IP, an dem der Mitteldruckturbinenabschnitt 2 und der Niederdruckturbinenabschnitt 3 miteinander verbunden sind, wird auf den Bereich von R ≧ 70 mm festgelegt, und der Spalt EP, in dem die Trennplatte 11 für die thermische Gradientenbehandlung aufgenommen wird, wird an einer Position angeordnet, an der die Dampftemperatur 400°C oder weniger wird. Damit ist es möglich, das Entstehen eines Abschreckrisses bei der thermischen Gradientenbehandlung zu verhindern, eine Spannungskonzentration, die auf während des Betriebes erzeugte thermische Spannungen zurückgeht, auf einen niederen Wert herabzudrücken und den Hochdruckturbinenabschnitt 1 und den Mitteldruckturbinenabschnitt 2 mit einer hohen Temperaturfestigkeit (Kriechfestigkeit) zu versehen und den Niederdrucktemperaturabschnitt 3 mit Raumtemperaturfestigkeit (Zugfestigkeit) und Zähigkeit zu versehen.

Fig. 9 ist eine schematische Schnittansicht einer dritten Ausführungsform einer zusammengebauten erfindungsgemäßen Dampfmaschine. Denen der ersten Ausführungsform ähnliche Bestandteile sind mit den gleichen Bezugszeichen oder Symbolen belegt und eine überlappende Erläuterung wird weggelassen.

Bei der Dampfturbine der dritten Ausführungsform wird jeder der räumlichen Bereiche LP eines Niederdruckdampfeinlasses 15 und einer Niederdruckentnahme (Öffnung 16) des Niederdruckturbinenabschnitts 3 des hoch-mittel-nieder-integrierten Turbinenrotors 4 als eine Festlegposition der Trennplatte 11 für die thermische Gradientenbehandlung verwendet.

Da die Festlegposition der Trennplatte 11 für die thermische Gradientenbehandlung bei der Dampfturbine sichergestellt werden muß, besteht in herkömmlicher Weise eine Tendenz dazu, daß eine Spannweite zwischen den Lagern des hoch-mittel-nieder-integrierten Turbinenrotors 4 groß wird. Wenn die Lagerspannweite groß wird, wird bei der herkömmlichen Dampfturbine jedoch ein kritischer Drehzahlbereich während des Betriebs vermindert, und wenn eine Wellenschwingung aus irgendwelchen Gründen vergrößert wird, gerät die Dampfturbine in einen gefährlichen Zustand.

Die vorliegende Ausführungsform ist unter Berücksichtigung dieses Punktes entstanden und irgendeiner der räumlichen Bereiche LB des Niederdruckdampfeinlasses 15 und der Niederdruckentnahme 16 in dem Niederdruckturbinenabschnitt 3 wird als Festlegposition der Trennplatte 11 für die thermische Gradientenbehandlung verwendet, so daß die Lagerspannweite relativ kurz wird.

Da die Lagerspannweite des hoch-mittel-nieder-integrierten Turbinenrotors 4 relativ kurz ist, um den kritischen Drehzahlbereich zu vergrößern, ist es daher bei der vorliegenden Ausführungsform möglich, die Nennbetriebszahl des hoch- mittel-nieder-integrierten Turbinenrotors gegenüber dem kritischen Drehzahlbereich zu verstimmen bzw. zu verschieben, und die Turbine stabil zu betreiben.

Fig. 10 ist ein schematisches Diagramm einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dampfturbine. Denen der ersten Ausführungsform ähnliche Bestandteile sind mit den gleichen Bezugszeichen belegt.

Bei der Dampfturbine der vierten Ausführungsform werden der Hochdruckturbinenabschnitt 1 und der Mitteldruckturbinenabschnitt 2 der thermischen Gradientenbehandlung bei einer Temperatur unterworfen, die verschieden von der des Niederdrucktemperaturabschnitts 3 ist. Eine Lagerspannweite L zwischen Lagern 10A und 10B des hoch-mittel-nieder- integrierten Turbinenrotors 4 wird auf einen Bereich von L ≧ 5700 mm festgelegt.

Wenn die Laderspannwreite L der Dampfturbine lang bzw. groß ist, wird ganz allgemein die kritische Geschwindigkeit bzw. Drehzahl der Welle vermindert, so daß sich die Drehzahl der Auslegungs- bzw. Nenndrehzahl annähert und die Turbine in einen gefährlichen Betriebszustand gelangt.

Die bei dem Längerwerden der Lagerspannweite L entstehende kritische Drehzahl wird bei der vorliegenden Ausführungsform in Betracht gezogen, und wie in Fig. 11 dargestellt, wird die Lagerspannweite L auf einen Bereich von L ≧ 5700 mm festgelegt, so daß die Nenndrehzahl von dem kritischen Drehzahlbereich CP verschoben werden kann, wie durch die geneigten Linien dargestellt.

Wie vorstehend beschrieben, ist es bei der vorliegenden Ausführungsform, da die Lagerspannweite L auf dem Bereich von L ≧ 5700 mm festgelegt ist, möglich, den hoch-mittel-nieder-integrierten Turbinenrotor sicher und stabil zu betreiben.

Es sei darauf hingewiesen, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und daß viele weitere Änderungen und Modifizierungen durchgeführt werden können, ohne von dem Umfang der beigefügten Patentansprüche abzuweichen.

Claims (8)

1. Turbinenrotor für eine Dampfturbine, welcher einen Hochdruckabschnitt (1) und einen Niederdruckabschnitt (3) aufweist und für eine drehbare Halterung in Lagern (10a, 10b) und zur Aufnahme in einem Tur­ binengehäuse (5) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass
der Turbinenrotor mit einem Ringspalt (11a) zur Aufnahme einer den Turbinenrotor umgebenden Trennplatte (11) ausgebildet ist, um eine thermi­ sche Gradientenbehandlung zur Beeinflussung der mechanischen Eigenschaf­ ten des Rotormaterials jedes der Druckabschnitte durch unterschiedliche ther­ mische Behandlung zu ermöglichen, wobei,
wenn ein axialer Abstand zwischen einer Festlegposition einer bewegli­ chen Turbinenschaufel einer letzten Stufe des Niederdruckturbinenabschnitts und einer Festlegposition der Trennplatte (11) als A definiert ist, eine Schaufel­ länge der beweglichen Turbinenschaufel als B definiert ist, und ein axialer Ab­ stand zwischen einer vorhergehenden Stufe der letzten Stufe des Niederdruck- turbinenabschnitts und der Festlegposition des Ringspalts als C definiert ist, die Festlegposition des Ringspalts auf einen Bereich von A/B ≧ 0,9 und C ≧ 300 mm festgelegt ist.

2. Turbinenrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn eine axiale Breite des Ringspalts (11a) als H definiert ist und ein Krümmungs­ radius eines Nutgrundes des Ringspalts als R definiert ist, die axiale Breite H und der Krümmungsradius R auf einen Bereich von H ≧ 140 mm und R ≧ 70 mm festgelegt sind.

3. Turbinenrotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringspalt (11a) an einer Position angeordnet ist, an der eine Dampftempe­ ratur 400°C oder weniger beträgt.

4. Turbinenrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, dass der Ringspalt (11a) an einer Position eines von räumlichen Bereichen eines Niederdruckdampfeinlasses (15) und einer Niederdruckentnahmeöffnung (16) des Niederdlruckturbinenabschnitts (3) angeordnet ist.

5. Turbinenrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, dass eine Schaufellänge der beweglichen Turbinenschaufel in der letzten Stufe des Niederdruckturbinenabschnitts auf 762 mm oder mehr festgelegt ist.

6. Turbinenrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, dass ein Mitteldruckabschnitt (2) zwischen dem Hochdruckabschnitt (1) und dem Niederdruckabschnitt (3) liegt.

7. Turbinenrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, dass eine Lagerspannweite (L) des Turbinenrotors auf einen Bereich L ≧ 5700 mm festgelegt ist.

8. Dampfturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, dass wenigstens einer der Druckabschnitte mit Dampf mit einem Druck von 100 kg/cm² oder mehr und einer Temperatur von 500°C beaufschlagbar ist.