DE102007027365A1

DE102007027365A1 - Systemausführung und Kühlverfahren für Niederdruckdampfturbinen unter Verwendung von Hybridschaufeln in der letzten Stufe

Info

Publication number: DE102007027365A1
Application number: DE102007027365A
Authority: DE
Inventors: Steven Sebastian Burdgick; Christophe Lanaud; Peter Michael Finnigan; Wendy Wen-Ling Lin
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-06-14
Filing date: 2007-06-11
Publication date: 2007-12-20
Also published as: JP2007332967A; CN101089370A; KR20070119535A; US20070292265A1

Abstract

Es wird ein Dampfturbinensystem zur Verwendung in Verbindung mit Niederdruckschaufeln (24) für die letzte Stufe (n) bereitgestellt. Das System ist dafür angepasst, den Schaufelspitzenbereich (20, 24) unter Ventilationsverlustbedingungen während niedrigen VANs zu kühlen, wodurch die vorteilhaften Ausführungs- und Wirkungsgradergebnisse der Verwendung von Hybridschaufeln realisiert werden können.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft eine Dampfturbinen-Systemausführung zur Verwendung in Verbindung mit Hybridverbundstoffschaufeln (Laufschaufeln) in der(n) letzten Stufe(n) einer Dampfturbine, typischerweise einem Niederdruck-(LP)-Dampfturbinenabschnitt.
Dampfturbinen-Laufschaufeln arbeiten in einer Umgebung, wo sie hohen Zentrifugallasten und Schwingungsspannungen ausgesetzt sind. Schwingungsspannungen nehmen zu, wenn die Laufschaufel-Eigenfrequenzen mit Betriebsdrehzahl- oder anderen Vorbeilauf-Frequenzen (stromaufwärts liegender Schaufel- oder Leitschaufelanzahl oder mit anderen größeren umdrehungsabhängigen Merkmalen) in Resonanz kommen. Das Ausmaß von Schwingungsspannungen, wenn eine Laufschaufel in Resonanz schwingt, ist proportional zu dem in dem System vorhandenen Dämpfungsbetrag (die Dämpfung besteht aus Material-, aerodynamischen und mechanischen Komponenten sowie dem Schwingungsanregungspegel). Für zusammenhängend verbundene Laufschaufeln ist die Schwingungsfrequenz eine Funktion des gesamten Systems von Laufschaufeln in einer Reihe und nicht notwendigerweise die von einzelnen Laufschaufeln in der Reihe.
Ferner sind, für Turbinenschaufeln oder Laufschaufeln, die Zentrifugallasten eine Funktion der Betriebsdrehzahl, der Masse der Laufschaufel und des Radius von der Maschinenmittellinie, wo sich diese Masse befindet. Sobald die Masse der Laufschaufel zunimmt, muss die physikalische Fläche oder Querschnittsfläche bei niedrigeren radialen Höhen zunehmen, um die Masse darüber tragen zu können, ohne die zulässigen Spannungen für das gegebene Material zu überschreiten. Dieser zunehmende Querschnittsfläche der Laufschaufel bei niedrigeren Spannen trägt zu übermäßiger Strömungsblockierung an dem Fuß und somit zu einer niedrigeren Leistung bei. Das Gewicht der Laufschaufel trägt zu höheren Scheibenspannungen und somit zu möglicherweise reduzierter Zuverlässigkeit bei.
Mehrere frühere US Patente/Anmeldungen betreffen so genannte "hybride" Schaufelblattkonstruktionen, in welchen das Gewicht des Blattes reduziert wird, indem das Blatt als eine Kombination aus einem Metall und Polymerfüllmaterial aufgebaut wird. Insbesondere werden eine oder mehrere Taschen in dem Schaufelblattanteil ausgebildet und mit dem Polymerfüllmaterial ausgefüllt. Diese früheren Patente/Anmeldungen umfassen die US Patente Nr. 6 854 959; 6 364 616; 6 139 278; 6 042 338; 5 931 641 und 5 720 597; die Anmeldung Ser. Nr. 10/900 222, eingereicht am 28. Juni 2004 und die Anmeldung Ser. Nr. 10 913 407, eingereicht am 7. August 2004; deren Offenbarungen jeweils hierin durch diese Bezugnahme beinhaltet sind.
Ein weiteres Problem bezüglich der Verwendung von Hybrid-Dampfturbinen-Laufschaufeln betrifft jedoch die Kosten als eine Funktion von Temperaturen, denen derartige Laufschaufeln während des Einsatzes unterliegen. In einer doppelflutigen Dampfturbine liegt beispielsweise eine erhebliche Ventilationsverlusterhitzung ("windage heating") der Schaufelblattspitze der letzten Stufe während Teillast- und Volldrehzahl bedingungen vor. Der Stutzenbereich hinter den Laufschaufeln besitzt ein Wassersprühsystem, um den Abdampfstrom zu dem Kondensator zu kühlen. Diesbezüglich werden in einer typischen Ausführung die Wasserstrahlen nicht zum Kühlen der Schaufel sondern zum Kühlen des Abdampfes verwendet, um die Abdampfgehäusedichtung innerhalb ihrer Materialtemperaturgrenzen zu halten. Typischerweise ist dieses eine Urethandichtung zwischen dem Niederdruckstutzen und der Kondensatoröffnung. Selbst während des Betriebs der Wasserstrahlen wandert die Kühlströmung nicht zu dem erhitzten Bereich in der Nähe der Laufschaufelspitzen und somit ist die Kühlung der Laufschaufelspitzen minimal. Die Laufschaufelspitzen können während dieses Zustandes bis zu 260°C (500°F) erreichen, während die Laufschaufeltemperaturen während des Normalbetriebs nur etwa 66°C (150°F) erreichen.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Diese Erfindung erweitert das Hybridschaufelkonzept durch Schaffung eines Dampfturbinensystems, das zur Verwendung mit Hybrid-Niederdruckschaufeln in der(n) letzte(n) Stufe(n) ausgelegt ist. Insbesondere schafft die vorliegende Erfindung ein System, das den Schaufelspitzenbereich während niedriger VAN-Ventilationsverlustbedienungen kühlt, wodurch die Ergebnisse der vorteilhaften Ausführung und des Wirkungsgrades der Verwendung von Hybridschaufeln realisiert werden können.
Somit kann die Erfindung in einer Axialströmungsdampfturbine verkörpert werden, welche enthält: einen Rotor; eine letzte Stufe mit einer Zwischenwand, die einen inneren Ring, einen äußeren Ring und mehrere sich dazwischen erstreckende Leitschaufeln aufweist, und mit einer Reihe von Schaufeln, die an dem Rotor stromabwärts von der Zwischenwand zur Rota tion in Bezug auf die Zwischenwand der letzten Stufe befestigt sind; und wenigstens eine Einspritzanordnung zum Einspritzen von Kühlmedien auf eine Nahumgebung der letzten Stufe.
Die Erfindung kann auch in einem Verfahren zum Kühlen der letzten Stufe einer Axialströmungsdampfturbine verkörpert sein, welche einen Rotor enthält, wobei die letzte Stufe eine Zwischenwand mit einem inneren Ring, einem äußeren Ring und mehreren sich dazwischen erstreckenden Leitschaufeln und eine Reihe von Schaufeln enthält, die an dem Rotor stromabwärts von der Zwischenwand zur Rotation in Bezug auf die Zwischenwand der letzten Stufe befestigt sind; wobei das Verfahren den Schritt aufweist: Einspritzen von Kühlmedien auf eine Nahumgebung der letzten Stufe.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung einer doppelflutigen Niederdruckturbine;
2 ist eine schematische Darstellung einer teilweise fertiggestellten Hybridlaufschaufel;
3 ist eine schematische Seitenaufrissansicht eines Turbinenrades mit mehreren darauf montierten Turbinenlaufschaufeln;
4 ist eine Querschnittsansicht einer Hybridlaufschaufel;
5 ist eine schematische Darstellung eines Hybridschaufelsystems, das eine Dampf- oder Wassereinspritzung und/oder Wasserstrahlen in einer Beispielsausführungsform der Erfindung enthält;
6 ist eine schematische Aufrissansicht von Dampfeinspritzung durch die vordere Außenseitenwand der Leitschaufeln gemäß einer Beispielausführungsform der Erfindung;
7 ist eine schematische Seitenaufrissansicht, die eine Dampf- oder Wassereinspritzungsströmungskreislauf in einer Beispielausführungsform der Erfindung darstellt; und
8 ist eine schematische Darstellung einer Dampf- oder Wassereinspritzungs/Feuchtigkeitsentzugs-Anordnung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 ist eine schematische Darstellung einer doppelflutigen Niederdruckturbine 10 mit einem Turbinengehäuse 12, Rotor 14 und mehreren in zwei bei 16 und 18 dargestellten Turbinenabschnitten dargestellten Scheiben. Die in Punktlinien eingekreisten Bereiche 20, 22 stellen die radial äußersten Bereiche der Schaufelblätter der letzten Stufen dar, bei denen es sich gezeigt hat, dass sie während Teillastbedingungen der stärksten Ventilationsverlusterhitzung unterliegen. Somit werden in Beispielausführungsformen der Erfindung Dampf- oder Wassereinspritzung, Dampfentzug, und/oder Wasserstrahlen verwendet, um die Leitschaufeln und/oder Schaufeln der letzten Stufe(n) zu kühlen, so dass die Vorteile von Hybridlaufschaufeln für (eine) derartige Stufe(n) realisiert werden können.
2 stellt schematisch einen Beispielaufbau einer Hybrid-Dampfturbinenlaufschaufel 24 dar. Die Dampfturbinen-Lauf schaufel enthält einen Schaftanteil 26 und einen Blattanteil 28. Der Blattanteil weist einen Betriebstemperaturbereich, eine Auslegungsdrehzahl, einen an dem Schaftanteil angebrachten Schaufelblattfuß, eine Schaufelblattspitze und eine sich nach außen zu der Schaufelblattspitze und nach innen zu dem Schaufelblattfuß erstreckende radiale Achse auf. Der Schaftanteil enthält typischerweise einen Schwalbenschwanz zur Befestigung der Schaufel an einer Rotorscheibe (3) und eine Schaufelblattplattform, um dazu beizutragen, den Dampfstrom radial zu halten. Der Schaufelblattanteil besitzt eine Vorderkante und eine Hinterkante, wobei die Dampfströmungsrichtung im Wesentlichen von der Vorderkante zu der Hinterkante verläuft. Das Schaufelblatt besitzt auch eine Druckseite und eine (konvexe) Saugseite.
In dem dargestellten Beispiel sind radial innere und äußere Taschen 30, 32 auf der Druckseite des Schaufelblattanteiles 28 getrennt durch einen relativ breiten Steg oder eine Rippe und einen mittigen Dämpfer 36 ausgebildet. Es können mehr (oder weniger) Taschen in der Schaufelblattauslegung enthalten sein. 3 stellt schematisch eine Reihe von Hybridlaufschaufeln 24 dar, die auf einer Turbinenrotorscheiben 42 montiert sind.
Das Schaufelblatt enthält einen Hauptkörper oder Abschnitt 34, welcher im Wesentlichen aus Metall besteht. Diesbezüglich beinhaltet der Begriff "Metall" eine "Legierung", soll aber für die Zwecke der Beschreibung der Erfindung hierin nicht die Bedeutung eines "metallischen Schaums" haben. In der hierin beschriebenen Beispielausführungsform ist der Hauptkörper ein monolithischer metallischer Anteil, obwohl die Erfindung nicht notwendigerweise diesbezüglich eingeschränkt ist. Der metallische Anteil weist eine erste Massendichte auf, und erstreckt sich im Wesentlichen radial von dem Schaufelblattfuß zu der Schaufelblattspitze. Die Taschen oder Aussparungen 30, 32 sind in dem Schaufelblatt dort definiert, wo das Metall weggelassen oder entfernt ist. Diesbezüglich ist der Hauptkörper oder metallische Abschnitt 34 des Schaufelblattes geschmiedet, extrudiert oder gegossen, und die Oberflächenaussparungen können durch Bearbeitung, wie z.B. chemisches Ätzen, elektrochemisches Bearbeiten, Wasserstrahlfräsen, Elektroerosionsbearbeitung oder Hochgeschwindigkeitsbearbeitung erzeugt werden.
4 ist eine Querschnittsdarstellung des Hybridschaufelblattaufbaus von 2, wobei ein Füllmaterialabschnitt 40, der im Wesentlichen nicht aus Metall besteht und der eine sich von der ersten Massendichte unterscheidende zweite Massendichte besitzt in einer Tasche 30 des Metallanteils vorgesehen ist. Das Füllmaterial 40, 38 für die Taschen 30, 32 kann Urethan-basierende Polymere unterschiedlicher Härte, Silikon-basierende Polymere, Gummi-basierende Verbindungen oder Polymergemische mit geeigneten Versteifern und/oder anderen Materialien wie zum Beispiel Kohlefasern, Glasfasern oder Keramik aufweisen, um Frequenz, Dämpfung, Erosionsbeständigkeit und so weiter anzupassen. Einige geeignete Füllmaterialzusammensetzungen sind beispielsweise in den US Patenten Nr. 6 287 080 und 5 931 641 offenbart, deren Offenbarungen hierin durch diese Bezugnahme beinhaltet sind. Wahlmöglichkeiten für die Verbindung der Füllmaterialien mit der Metalloberfläche des Schaufelblattanteiles 28 umfassen, ohne Einschränkung, Selbstanhaftung, Haftung zwischen den Füllmaterialien und der Metalloberfläche des Schaufelblattanteils, Kleberverbindung (Kleberfilm oder -paste), und Schmelzverbindung Falls es für erforderlich oder erwünscht erachtet wird, kann das zum Füllen der Tasche 32 verwendete Füllmaterial unterschiedliche Eigenschaften, wie z.B. Temperaturbeständigkeit, im Vergleich zu dem für das Füllen der Tasche 30 verwendeten Füllmaterial 40 aufweisen. Die Nutzung unterschiedlicher Füllmaterialabschnitte oder genauer gesagt Füllmaterialien ermöglicht eine verbesserte Temperaturbeständigkeit von Hybridlaufschaufeln zu reduzierten Kosten. Jedes verwendete Material könnte für die spezifischen Stellen auf der Schaufel auf der Basis von Temperatureigenschaften des Füllmaterials und Temperaturbeständigkeitsanforderungen der Laufschaufeln in jeder gegebenen Stufe formuliert werden. Eine Verwendung der teureren Hochtemperaturmaterialien nur an einer eingeschränkten Stelle der Laufschaufel macht die Auslegung von Hybridlaufschaufeln insbesondere für diejenigen Laufschaufeln leichter durchführbar, welche hohen Ventilationsverlustbedingungen unterliegen.
Die Laufschaufeln können mit einer oder mehreren mit Füllmaterialien gefüllten Taschen hergestellt werden, die so gewählt sind, dass sie die gewünschten Eigenfrequenzen der einzelnen Laufschaufeln sowie der gesamten Laufschaufelreihe erzielen.
In einem ersten Verfahren in Verbindung mit dieser Beispielausführungsform sind die Taschen 30, 32 der Laufschaufeln 24 innerhalb einer derartigen Schaufelreihe mit Füllmaterialien gefüllt, welche als eine Funktion der Eigenfrequenz gewählt sind. Somit könnten alle Taschen (von eins bis vier oder mehr) mit einem ähnlichen Polymerfüllmaterial gefüllt sein, das dafür ausgelegt ist, die gewünschten Eigenfrequenzen der einzelnen Laufschaufeln sowie der gesamten Schaufelreihe zu erzielen. In einem weiteren Beispiel würde jede Laufschaufel wenigstens zwei unterschiedliche Füllmaterialien beispielsweise unterschiedlicher Steifigkeit enthalten, um die gewünschten Eigenfrequenzen zu erzielen.
In einem zweiten Verfahren in Verbindung mit dieser Beispielausführungsform können zwei oder mehr Laufschaufelgruppen mit ausgesparter(n) Tasche(n) entlang der Druckseite des Schaufelblattes mit unterschiedlichen Füllmaterialien in den Taschen der Laufschaufeln jeder Gruppe ausgebildet sein. Beispielsweise kann eine Laufschaufelgruppe ein festeres oder "steiferes" Material als Taschenfüllmaterial verwenden, während die andere Laufschaufelgruppe ein Material mit geringerer Steifigkeit verwenden kann. Alternativ können mehrere Taschen in den Laufschaufeln einer Gruppe mit mehreren Polymerfüllmaterialien gefüllt sein, und die mehreren Taschen der anderen Gruppe können jeweils mit unterschiedlichen mehreren Polymerfüllmaterialien gefüllt sein. Somit kann beispielsweise und gemäß Bezug auf die Laufschaufel in 2 für eine erste Gruppe von Laufschaufeln die Tasche 30 mit einem Polymer "a" gefüllt sein und die Tasche 32 mit einem Polymer "b" gefüllt sein. Für eine zweite Gruppe von Laufschaufeln kann die Tasche 30 mit einem Polymer "c" und die Tasche 32 mit einem Polymer "d" gefüllt sein: Wiederum sind diese Materialien so gewählt, dass unterschiedliche Resonanzfrequenzen in den zwei Laufschaufelgruppen erzielt werden.
Die vorstehend beschriebenen Schaufelblattausführungen können verwendet werden, um eine Reihe von Laufschaufeln auf einer Dampfturbinenrotorscheibe gemäß Darstellung in 3 zu erzeugen. Insbesondere können Gruppen A und B auf der Turbinenscheibe in einer vorbestimmten zugeordneten Konfiguration, wie zum Beispiel in dem Muster ABAB ..., so zusammengebaut werden, dass eine Laufschaufel der Gruppe A immer neben einer Laufschaufel der Gruppe B liegt. Auf diese Weise können die zwei (oder mehr) Populationen von Laufschaufeln gezielt hergestellt und in logischer Weise so zusammengebaut werden, dass deren inhärenten Unterschiede in den Resonanzfrequenzen als ein Mittel zur Reduzierung der Systemantwort auf synchrone und nicht-synchrone Schwingungen ohne nachteilige Beeinflussung der aerodynamischen Eigenschaften der Schaufelblattkonstruktion genutzt werden. Ferner besteht diesbezüglich eine Möglichkeit, eine Gruppe von Laufschaufeln zu entwerfen, deren Eigenfrequenz gleichmäßig zwischen zwei "umdrehungsabhängigen" Kriterien (beispielsweise 4 pro Umdrehung und 5 pro Umdrehungsteilung) angeordnet sind, und eine weitere Gruppe von Laufschaufeln mit einem unterschiedlichen Füllmaterialabschnitt zu entwerfen, so dass sie gleichmäßig über einem anderen Satz von "umdrehungsabhängigen" Anregungen (wie z.B. 3 pro Umdrehung und vier pro Umdrehungsteilung) angeordnet sind. Es ist auch möglich, das Muster der Laufschaufelgruppenverteilung zu verändern, um so wiederum die gewünschten Frequenzeigenschaften zu erzielen. Beispielsweise könnte ein Muster AABBAA ... oder AABAAB ... ebenfalls verwendet werden.
In einer weiteren Beispielausführungsform werden die Laufschaufeln mit einer oder mehreren Taschen hergestellt, die mit Urethan- oder Silikon-Polymerfüllmaterialien gefüllt sind, die als eine Funktion der Dämpfungseigenschaften der Füllmaterialmaterialien ausgewählt werden.
Wiederum kann dieser mit einem von zwei Verfahren erreicht werden. Das erste Verfahren wäre die Verwendung von einem oder mehreren Füllmaterialien innerhalb der Taschen jeder Laufschaufel (oder den Taschen der Laufschaufel) die so gewählt sind, dass sie die Dämpfungskoeffizienten jeder Laufschaufel sowie die Dämpfungsreaktion der gesamten Laufschau felreihen verändern. Abhängig davon, wo die spezifischen Materialeigenschaften erforderlich sind, könnten einige Taschen entweder mit einem stark gedämpften Material gefüllt sein, oder mit einem Material, das irgendeine andere spezifische Anforderung, die nicht notwendigerweise mit Dämpfung in Beziehung steht, erfüllt. In einigen Bereichen der Laufschaufel kann beispielsweise Erosion ein Problem sein; Materialien, die zu Verhinderung von Erosion erwünscht sind, müssen jedoch nicht für eine Schwingungsreduzierung erwünscht sein. In weiteren Bereichen muss Erosion keinesfalls ein Problem sein, und die Schwingungsdämpfung kann das Hauptproblem sein. In jedem Falle kann durch Veränderung der Dämpfungseigenschaften in mehr oder weniger großem Ausmaß die Amplitude der Systemschwingungen in den Schaufelblattreihen auf einen tolerierbaren Wert reduziert werden.
Das zweite Verfahren in Verbindung mit diesem Beispiel beinhaltet wiederum die Trennung der Laufschaufeln in zwei diskrete Gruppen, wovon jede unterschiedliche Füllmaterialien enthält, um den Dämpfungskoeffizienten der Laufschaufeln innerhalb der entsprechenden Gruppen anzupassen. Beispielsweise würden alle Laufschaufeln einer Gruppe eines oder mehrere Füllmaterialien in den entsprechenden Taschen enthalten, während alle Laufschaufeln der zweiten Gruppe eine andere Auswahl von einem oder mehreren Füllmaterialien enthalten würde. Die Schaufeln würden in einer zugeordneten Konfiguration wie zum Beispiel der vorstehend Beschriebenen, das heißt ABAB ... oder AABBAA ... und so weiter angeordnet sein. Die zugeordnete Konfiguration führt zu einer gemischten Abstimmung des Schaufelblattsatzes über verschiedene Dämpfungsantworten der Schaufeln in jeder Schaufelgruppe, um eine besser gedämpfte Laufschaufelreihe oder Satz zu erzeugen. Dieses kann auch die Frequenzen jeder Laufschaufel verschieben, um einen noch größeren Vorteil aus dem Mischabstimmungskonzept zu ziehen.
Jedes von den vorstehenden Verfahren kann zu der Beseitigung des typischen mechanischen Dämpfers in der Mitte bestimmter Schaufelblattkonstruktionen führen. Diese Mittenverbindung ist eine Strömungsstörung, die zu einem verringerten Turbinenwirkungsgrad führt. Mit anderen Worten, unter Verwendung geeigneter Füllmaterialien mit verbesserten Dämpfungseigenschaften ist die vollständige Beseitigung des derzeitigen Mittendämpfers 36 möglich.
Wie vorstehend erwähnt, besteht eine typische Hybridlaufschaufel 24 aus einem metallischen Laufschaufelabschnitt 34 mit einer ausgesparten Tasche oder Wanddurchtrittsfenster 30, 32, das ein Verbundmatrixfüllmaterial 40, 38 enthält. 4 zeigt einen Querschnitt einer typischen Hybridschaufelblattkonstruktion, die eine flache Tasche 30 darstellt, die mit einem Verbundstoff- oder Polymermaterial 40 gefüllt ist.
Diese Hybridlaufschaufelausführung ermöglicht mehrere vorteilhafte Ergebnisse. Sie erzeugt eine leichtere Schaufel welche Schaufeln mit längeren oder breiteren Sehnen ermöglicht. Eine längere Schaufel ermöglicht mehr Dampfströmung, um dadurch die Turbinenausgangsleistung zu erhöhen. Eine leichtere Schaufel ermöglicht auch Schaufeln mit breiterer Sehne oder Schaufeln mit verbesserter Aerodynamik, und dadurch eine Verbesserung des Stufenwirkungsgrades.
Die Hybridlaufschaufelausführung bietet auch die Möglichkeit zur "gemischten Abstimmung" der Stufe mit kontinuierlich verbundenen Schaufeln, um die Gesamtfrequenzantwort der Stufe zu dämpfen. Ferner hat die Hybridlaufschaufel auch die Möglichkeit die Kosten zu reduzieren. Das Titan, das derzeit bei den längsten Schaufeln, die hergestellt werden, verwendet wird, ist sehr teuer, bis zum dreifachen der Kosten einer Stahllegierung. Die Hybridschaufel hat die Möglichkeit Titanausführungen durch eine Stahlausführung mit einer Hybridtaschenbildung zu ersetzen. Es besteht auch die Möglichkeit einer Verlängerung der Betriebslebensdauer durch die Hinzufügung des Hybridschaufelmaterials und dadurch einer Reduzierung der Spannungspegel sowohl in der Schaufel als auch über Rotor. Zusätzlich könnte man mehr als nur eine Stufe mit einer Hybridausführung anordnen, was den Luftwirkungsgrad erhöhen oder die Schaufellänge vergrößern würde, um mehr Leistung zu erzeugen. Des Weiteren ermöglicht die Hybridschaufel, da sie leichter ist, mehr Flexibilität bei der Anpassung des IRD (Innennaben- oder Fußdurchmesser der Schaufeln). Die Vergrößerung des IRD für dieselbe Schaufel ermöglicht mehr Ringraumfläche falls diese bei der Thermodynamik/Leistungs-Auslegung erforderlich sein sollte. Bei einer typischen Turbine erhöht die Bewegung der Schaufeln außerhalb die Zugbelastung auf den Rotor erheblich aufgrund des exponentiellen Faktors, der die Schaufelzugbelastung erhöht. Zusätzlich könnte man eine längere Schaufel herstellen, während der IRD beibehalten oder verringert wird, was beides mehr Ringraumfläche erzeugt. Die neuen IGCC-Turbinenauslegungskonzepte erfordern aufgrund der höheren Strömungsraten dieser speziellen Anwendung mehr Ringraumfläche. Die größere Ringraumfläche von Hybridlaufschaufeln macht dieses möglich, ohne dass man mehr Niederdruckabschnitte zum Durchführen der Strömung erzeugen muss. Dieses ist mit derzeitigen Metallschaufeln aufgrund von Längen-(Zugspannungs)-Einschränkungen physikalisch nicht erreichbar.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Erzeugung einer Dampfturbinensystemausführung zur Verwendung in Verbindung mit Hybrid-Niederdruckschaufeln des im Wesentlichen vorstehend beschriebenen Typs in den letzten Stufen. Es gibt jedoch einige Probleme bei der Erzielung einer Hybridsystemausführung. Ein Problem ist das der hohen Temperatur, die während eines niedrigen VAN-Betriebs erzeugt wird. Wie vorstehend erwähnt, besteht ein erhebliches Problem in der Verwendung einer Hybridschaufelausführung, das heißt, von Verbundstoff oder Polymermaterial in einer metallischen Laufschaufel, in den Temperaturbedingungen während des Strömungsbetriebs (niedriges VAN), wenn sich der Rotor bei voller Drehzahl dreht. Während eines Betriebs bei niedriger Strömung befindet sich der Schaufelspitzenbereich in einem Ventilationsverlustzustand, der die Strömung auf eine deutlich höhere Temperatur erhitzt, als bei einem Betrieb in einem stabilen Zustand. Somit muss die Hybridschaufelsystemausführung in der Lage sein, den Temperaturanstieg zu beherrschen.
Eine Möglichkeit, die Hybridschaufelausführung ausführbar zu machen, besteht in der Entwicklung von Hochtemperaturverbundmaterialien zur Verwendung in einer Hochtemperaturdampfumgebung. Siehe diesbezüglich die gleichzeitig anhängliche Anmeldung 10/900 222, eingereicht am 28. Juli 2004, deren Offenbarung hierin durch diese Bezugnahme beinhaltet ist. Eine zweite Möglichkeit, wie sie nachstehend detaillierter beschrieben wird, besteht in der aktiven Kühlung des Schaufelspitzenbereichs während des Ventilationsverlustes bei geringem VAN.
In einer Beispielausführungsform gemäß Darstellung in 5 enthält das System Wasserstrahlen 44 in dem Abdampfbereich, die selektiv eingeschaltet werden, wenn der Ventilati onsverlustzustand bei geringem VAN vorliegt. Derartige Strahlen können mittels Testen oder CFD-Analyse optimiert werden. Die Strahlen sind entweder auf den äußeren Abdampfströmungskonus 46 oder den inneren Konus 48 oder beide gemäß Darstellung in 5 positioniert. Die Richtung und Menge der Strömung wird erwünschtermaßen so optimiert, dass genügend Wasser zum Kühlen der Schaufel 24 strömt, aber nicht soviel, dass eine exzessive Erosion an den Vorder- und Hinterenden der Schaufel erzeugt wird.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung, welches kombiniert mit Wasserstrahl(en) 44 oder alternativ bereitgestellt werden kann, besteht in dem Einspritzen von Dampf oder Wasser von der äußeren Seitenwand 50 der Zwischenwand 52 der letzten Stufe gemäß Darstellung in 6 oder unmittelbar vor der Spitze der Schaufel 24, wie es beispielsweise in 7 dargestellt ist. Noch eine weitere Alternative unter Verwendung einer Konfiguration wie in 8 besteht in der Bereitstellung einer kleinen Entzugsnut 54 in der Leitschaufel-Außenseitenwand 50 in der Nähe der Schaufelspitze und unmittelbar vor der Schaufel 24, um Strömung zu entziehen, um dadurch den Ventilationsverlust-Erhitzungszustand zu reduzieren.
Insbesondere sind in 5 die zwei letzten Stufen der Dampfturbine als Hybridschaufeln enthaltend dargestellt. In dieser Beispielausführungsform sind obere und/oder untere Wasserstrahlen 44 in dem Niederdruck-Abdampfstutzen-Diffusionsbereich für Kühlzwecke dargestellt. Zusätzlich oder als Alternative sind eine Dampf- oder Wassereinspritzung 56 stromaufwärts von der Leitschaufelzwischenwand 52 (6) oder eine Dampf/Wasser-Einspritzung und/oder Dampfabweisung auf der stromabwärts liegenden Seite der Leitschaufelzwischenwand 52 vorgesehen.
Insbesondere stellt bezüglich der Dampf- oder Wassereinspritzoptionen 6 einen in dem äußeren Ring 50 definierten Dampf-(oder Wasser-)Einspritzhohlraum 58 dar, der einen Dampf-(oder Wasser)-Einlasskanal zum Einführen von Dampf 56 zu dem stromaufwärts liegenden Ende der Leitschaufeln 60 der letzten Stufe enthält, wobei der Dampf zu dem Dampfeinspritzhohlraum durch eine Dampfeinspritzkanal 62 in dem Niederduckgehäuse geleitet wird. 6 stellt auch schematisch Wasserstrahlen 44 zum Kühlen in dem Niederdruck-Abdampfstutzen/Diffusor-Bereich stromabwärts von den Hybridschaufeln 24 der letzten Stufe dar.
Wie vorstehend erwähnt, kann auch eine Dampf- oder Wassereinspritzung und/oder Dampfentzug auf der stromabwärts liegenden Seite der Leitschaufelzwischenwand 52, stromaufwärts vor den Hybridlaufschaufeln 24 vorgesehen sein. Somit kann gemäß Darstellung in 7 Hauptdampf 64 durch einen Dampfeinspritzhohlraum 66, Kanal 68 und die Nut 70 geleitet werden, um zur Kühlung des stromabwärts liegenden Endes der Leitschaufeln 60 und der Spitzen der benachbarten Hybridlaufschaufel 24 gelenkt werden. Diese Einspritzströmung trägt zur Reduzierung der Temperatur in dem Bereich bei, der zu dem Ventilationsverlust-Überhitzungszustand neigt. Alternativ kann die Dampfeinspritzungsnut 170 als eine Rinne 54 wie es insbesondere in 8 dargestellt ist, konfiguriert sein, wodurch als eine Alternative zur Dampfeinspritzung ein Feuchtigkeitsentzug über die Feuchtigkeitsentzugsrinne 54, ein Entzugloch bzw. Entzugslöcher oder Kanal bzw. Kanäle 168 in den Feuchtigkeitsentzugshohlraum 166 und schließlich in den Kondensator erzielt werden kann. Die Verwendung einer kleinen Entzugsnut unmittelbar vor der Schaufel zum Extrahieren von Strömung reduziert den Ventilationsverlusterhitzungszustand.
Gemäß Darstellung in 5 könnte das Hybridschaufelsystem mehr als nur eine Stufe umfassen, insbesondere wenn Verbundmaterialien für höhere Temperatur entwickelt werden. Dieses würde Schaufelblätter mit vergrößerter Fläche oder erhöhtem Wirkungsgrad in der(n) letzten Stufe(n) ermöglichen. Zusätzlich würde dieses kleinere und kürzere Rotorscheiben aufgrund der reduzierten Zugbelastung der Schaufeln ermöglichen. Der kürzere Rotor würde weniger Anlagenplatz ermöglichen. Ein kürzerer Rotor könnte auch der Rotordynamik nützen, da sich die kritischeren Grundfrequenzen über die Betriebsdrehzahl hinaus verschieben könnten. Zusätzlich würde die Hybridschaufelsystemausführung einen größeren Ringraum ermöglichen, indem die Schaufel mit derselben Länge weiter nach außen verschoben wird. Dieses wäre unter Anwendung einer herkömmlichen Rotorkonstruktion nicht möglich, da die Schaufel zu viel für den Rotor wiegen würde, um in der Lage zu sein, die erhöhte Belastung auszuhalten. Dieses ermöglicht eine höhere Turbinenausgangsleistung bei der gleichen Schaufellänge.
Es wird ein Dampfturbinensystem zur Verwendung in Verbindung mit Niederdruckschaufeln 24 für die letzte Stufe(n) bereitgestellt. Das System ist dafür angepasst, den Schaufelspitzenbereich 20, 24 unter Ventilationsverlustbedingungen während niedrigem VAN zu kühlen, wodurch die vorteilhaften Ausführungs- und Wirkungsgradergebnisse der Verwendung von Hybridschaufeln realisiert werden können.
Obwohl die Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben wurde, was derzeit als die praktikabelste und bevorzugte Ausführungsform betrachtet wird, dürfte es sich verstehen, dass die Erfindung nicht auf die offenbarte Ausführungsform beschränkt ist, sondern dass sie im Gegenteil verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen, welche innerhalb des Erfindungsgedankens und des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche enthalten sind, abdecken soll.

10: Doppelflutige Niederdruckturbine
12: Turbinengehäuse
14: Rotor
16: Turbinenabschnitte
18: Turbinenabschnitte
20: Radial äußerste Bereiche von Laufschaufeln der letzten Stufe
22: Radial äußerste Bereiche von Laufschaufeln der letzten Stufe
24: Hybrid-Dampfturbinen-Laufschaufel
26: Schaftanteil
28: Schaufelblattanteil
30: Innere und äußere Taschen/Aussparungen
32: Innere und äußere Taschen/Aussparungen
34: Hauptkörper oder Abschnitt
36: Mittendämpfer
38: Füllmaterial
40: Füllmaterial
42: Rotorscheibe 44 Wasserstrahlen
46: äußerer Abdampfströmungskonus
48: innerer Konus
50: Außenseitenwand
52: Zwischenwand der letzten Stufe
54: Entzugsnut
56: Dampf- oder Wassereinspritzung
58: Dampf- oder Wassereinspritzungshohlraum
60: Leitschaufeln der letzten Stufe
62: Dampf- oder Wassereinspritzkanal
64: Hauptdampf
66: Dampfeinspritzhohlraum
68: Kanal
70: Nut
166: Feuchtigkeitsentzugshohlraum
168: Entzugsloch oder Löcher oder Kanal oder Löcher
170: Nut

Claims

Axialdampfturbine, enthaltend: einen Rotor; eine letzte Stufe mit einer einen inneren Ring (52) und äußeren Ring (50) aufweisenden Zwischenwand und mehreren sich dazwischen erstreckenden Leitschaufeln (60) und mit einer Reihe von Schaufeln (24), die an dem Rotor stromabwärts von der Zwischenwand zu Drehung in Bezug auf die Zwischenwand der letzten Stufe befestigt sind; und wenigstens eine Einspritzanordnung (44, 56, 58, 66, 68, 70) zum Einspritzen von Kühlmedien in die Nahumgebung der letzten Stufe.
Axialdampfturbine nach Anspruch 1, wobei die Einspritzanordnung Wasserstrahlen (44) in einem Abdampfbereich stromabwärts von den Schaufeln der letzten Stufe aufweist.
Axialdampfturbine nach Anspruch 1, wobei die Einspritzanordnung einen Dampf- oder Wassereinspritzhohlraum (58, 66) aufweist, der in dem äußeren Ring (50) definiert ist, und eine Dampf- oder Wassereinspritzöffnung (56, 54) die auf die Leitschaufeln (60) der Zwischenwand gerichtet ist.
Axialdampfturbine nach Anspruch 3, wobei die Einspritzöffnung stromaufwärts vor den Leitschaufeln in Bezug auf einen Dampfströmungspfad durch die letzte Stufe angeordnet ist.
Axialdampfturbine nach Anspruch 3, wobei der Einspritzhohlraum (66) stromabwärts vor den Leitschaufeln (60) in Bezug auf einen Dampfströmungspfad durch die letzte Stufe angeordnet ist.
Axialdampfturbine nach Anspruch 1, welche eine Feuchtigkeitsentzugsanordnung (166, 168, 170, 54) zum Entziehen von Feuchtigkeit aus einem Dampfströmungspfad durch die letzte Stufe, stromabwärts von den Leitschaufeln (60) und stromaufwärts vor den Schaufeln (20) in Bezug auf den Dampfströmungspfad aufweist, wobei die Feuchtigkeitsentzugsanordnung einen Feuchtigkeitsentzugshohlraum (166) aufweist, der in den äußeren Ring definiert ist und eine Feuchtigkeitsentzugsnut (170) mit einer Öffnung (54) die eine zu den Leitschaufeln (60) der Zwischenwand hin gerichtete Rinne besitzt.
Axialdampfturbine nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Schaufel einen Schaufelblattanteil aufweist, der enthält: (1) einen metallischen Abschnitt (34) der im Wesentlichen aus Metall besteht und eine erste Massendichte besitzt, wobei sich der metallische Abschnitt im Wesentlichen radial von dem Schaufelblattfuß im Wesentlichen zu der Schaufelblattspitze erstreckt; und (2) wenigstens einen Faserverbundstoffabschnitt (38, 40) mit einer zweiten Massendichte, die geringer als die erste Massendichte ist.
In einer Axialdampfturbine, die einen Rotor und eine letzte Stufe mit einer einen inneren Ring (52) und äußeren Ring (50) aufweisenden Zwischenwand und mehreren sich dazwischen erstreckenden Leitschaufeln (60) und mit einer Reihe von Schaufeln (24), die an dem Rotor stromabwärts von der Zwischenwand zu Drehung in Bezug auf die Zwischenwand der letzten Stufe befestigt sind, enthält, ein Verfahren zum Kühlen der letzten Stufen mit dem Schritt: Einspritzen von Kühlmedien (11, 56, 58, 66, 68, 70) in die Nahumgebung der letzten Stufe.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Einspritzung das Einsprühen von Wasser (54) in einem Abdampfbereich stromabwärts von den Schaufeln (20) der letzten Stufe umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die die Einspritzung das Einspritzen von Dampf oder Wasser aus einem in dem äußeren Ring (50) definierten Dampf- oder Wassereinspritzhohlraum (58, 66) durch eine auf die Leitschaufeln der Zwischenwand gerichtete Dampf- oder Wassereinspritzöffnung (56, 54) umfasst.