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Dampfturbinensystem
mit einer Kondensationsdampfturbine mit einer energieeffizienten
Sperrdampfversorgung Eine Kondensationsdampfturbine findet beispielsweise
bei einer industriellen Anwendung als Antrieb eines Prozessgasverdichters
in einer verfahrenstechnischen Anlage oder als Antrieb eines Generators
in einem Kraftwerk Anwendung. Der Kondensationsdampfturbine wird
Frischdampf beispielsweise mit einem Druck von 100 bar bei 500°C zugeführt und
auf etwa 0,05 bar entspannt. Der entspannte Dampf wird dann in einem
Kondensator kondensiert. Gegen den Unterdruck im Kondensator ist
die Kondensationsdampfturbine an beiden Wellendurchtritten am Gehäuse abzudichten.
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Die
Dampfturbine weist einen Läufer
mit einer Welle und ein Gehäuse
auf, das den Läufer
umgibt. Die Welle ist an ihren Längsenden
außerhalb des
Gehäuses
mit Lagern gelagert, so dass die Welle durch das Gehäuse sich
erstreckt. An diesen Wellendurchtritten durch das Gehäuse sind
Labyrinthe zum berührungslosen
Abdichten des Dampfturbinengehäuses
gegen die Welle vorgesehen. Durch diese Labyrinthe tritt bei Überdruck
Leckdampf aus, der beispielsweise als Wrasendampf an die Umgebung abgegeben
wird. Die Kondensationsdampfturbine ist gegen das Vakuum im Gehäuse abgedichtet,
damit einen Lufteinbruch in das Gehäuse unterbunden ist. Hierfür sind beide
Wellenlabyrinthe mit einer Sperrdampfzugabe versehen, durch die
das Labyrinth nach außen
hin gesperrt ist, so dass ein Einströmen von Luft von außen in das
Gehäuse
unterbunden ist.
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Herkömmlich wird
als Sperrdampf mit einem Druckregelventil auf etwa 1,05 bar gedrosselter Frischdampf
bereitgestellt, mit dem die Labyrinthe beaufschlagt werden. Zum
Kühlen
des Sperrdampfs ist häufig
ein Sperrdampfkühler
vorgesehen, damit insbesondere das abdampfseitige Labyrinth, das eine
Betriebstemperatur von unter 100°C
hat, durch die Sperrdampfbeauf schlagung lediglich einer abgemilderten
Temperaturbelastung ausgesetzt ist.
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Der
Frischdampfanteil, der als Sperrdampf verwendet wird, steht der
Kondensationsdampfturbine zur Energiegewinnung nicht zur Verfügung. Dadurch
ist es wünschenswert
den Frischdampfanteil, der als Sperrdampf verwendet wird, möglichst
gering zu halten.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Dampfturbinensystem mit einer Kondensationsdampfturbine
zu schaffen, wobei die Kondensationsdampfturbine eine energieeffiziente
Sperrdampfversorgung aufweist.
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Das
erfindungsgemäße Dampfturbinensystem
weist eine Kondensationsdampfturbine auf, die Wellenlabyrinthe,
eine Sperrdampfzuführeinrichtung, mit
der die Wellenlabyrinthe sperrbar sind, und frischdampfseitig einen
Ausgleichskolben mit einer Ausgleichsleitung aufweist, die in den
Abdampfstutzen der Kondensationsdampfturbine mündet, wobei in der Ausgleichsleitung
ein Druckhalteventil geschaltet ist, mit dem ein erstes vorbestimmtes
Druckniveau in der Ausgleichsleitung stromauf des Druckhalteventils haltbar
ist, und vor dem Druckhalteventil eine Staudampfabführleitung
vorgesehen ist, die in die Sperrdampfzuführeinrichtung mündet, so
dass, wenn in der Ausgleichsleitung stromauf des Druckhalteventils das
erste vorbestimmte Druckniveau erreicht ist, von dem Ausgleichskolben
via die Staudampfabführleitung
in das Sperrdampfzuführsystem
Dampf führbar und
damit die Wellenlabyrinthe sperrbar sind.
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An
dem Ausgleichskolben tritt beim Betrieb der Kondensationsdampfturbine
ein Leckdampf auf, der von der Ausgleichsleitung abführbar ist.
Beim Beginn des Betriebs der Kondensationsdampfturbine ist das Druckhalteventil
geschlossen, da stromauf des Druckhalteventils in der Ausgleichsleitung
das erste vorbestimmte Druckniveau von dem Leckdampf noch nicht
erreicht ist. Dadurch sammelt sich stromauf des Druckhalteventils
in der Ausgleichsleitung der Leckdampf an und staut sich auf. Dadurch
erhöht
sich nach und nach das Druckniveau stromauf des Druckhalteventils
in der Ausgleichsleitung, bis das erste vorbestimmte Druckniveau
erreicht ist. Dann öffnet sich
das Druckhalteventil derart, dass stromauf des Druckhalteventils
in der Ausgleichsleitung das erste vorbestimmte Druckniveau stets
gehalten ist und dementsprechend Leckdampf durch die Ausgleichsleitung
in den Abdampfstutzen abgeleitet wird.
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Das
erste vorbestimmte Druckniveau ist derart festgelegt, dass der stromauf
des Druckhalteventils aufgestaute Staudampf als ein Sperrdampf für das Wellenlabyrinth
geeignet ist. Dadurch, dass die Ausgleichsleitung stromauf des Druckhalteventils eine
Staudampfabführleitung
aufweist, die in die Sperrdampfzuführeinrichtung mündet, ist
der Staudampf als Sperrdampf dem Wellenlabyrinth beim Betrieb der
Kondensationsdampfturbine zur Verfügung gestellt, sobald das erste
vorbestimmte Druckniveau in dem Staudampf erreicht ist. Dadurch
kann vorteilhaft der ohnehin verlorene Leckdampf aus dem Ausgleichskolben
als Sperrdampf in der Sperrdampfzuführeinrichtung verwendet werden,
so dass der Sperrdampf als ein Frischdampfanteil für die Kondensationsdampfturbine
nicht abgezweigt zu werden braucht.
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Der überschüssig vorliegende
Leckdampf, der nicht als Staudampf bzw. Sperrdampf in dem Wellenlabyrinth
verbraucht werden kann, wird über das
Druckhalteventil durch die Ausgleichsleitung zu dem Abdampfstutzen
geführt.
Hervorgerufen durch die Differenz des ersten vorbestimmten Druckniveaus
und dem Vakuumzustand in dem Abdampfstutzen ergibt sich ein etwas
verringerter Differenzdruck über
den Ausgleichskolben, was in der Größenrelation zu einem herkömmlichen
Frischdampfdruck vernachlässigbar
ist.
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Durch
das erfindungsgemäße Dampfturbinensystem
wird beim Betrieb der Kondensationsdampfturbine kein Frischdampf
zum Sperren des Wellenlabyrinths gebraucht, wodurch der Frischdampfverbrauch
der Kondensationsdampfturbine vorteilhaft geringer ist, als wenn
der Sperrdampfverbrauch durch abgezapf ten Frischdampf gedeckt werden
würde.
In der Regel hat der Staudampf bereits ein Regelrad der Kondensationsdampfturbine
passiert, so dass bereits mit dem Staudampf in der Kondensationsdampfturbine
Energie gewonnen wurde. Außerdem
hat der Staudampf verglichen mit herkömmlichem Frischdampf eine etwa
50°C bis
60°C kältere Temperatur,
so dass das Wellenlabyrinth nur eine geringere Temperaturbelastung
erfährt
bzw. der Staudampf als Sperrdampf nicht so stark abgekühlt zu werden
braucht. Ferner kann die Nennweite der Ausgleichsleitung geringer
als sie bei einer herkömmlichen
Kondensationsdampfturbine ausgeführt sein,
da lediglich der überschüssige Leckdampf
zu dem Abdampfstutzen geführt
zu werden braucht.
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Bevorzugt
ist es, dass in der Staudampfabführleitung
eine Rückschlagklappe
mit einer Durchströmrichtung
in Richtung zu der Sperrdampfzuführeinrichtung
vorgesehen ist. Somit ist mit der Rückschlagklappe eine Strömung von
der Ausgleichsleitung zu dem Sperrdampfzuführsystem freischaltbar, wohingegen
ein Rückstrom
von dem Sperrdampfzuführsystem
zu der Ausgleichsleitung durch die Rückschlagklappe unterbunden
ist. Dadurch kann der Staudampf über
die Rückschlagklappe
von der Ausgleichsleitung in die Sperrdampfzuführeinrichtung nur strömen, wenn
der Druck stromauf des Druckhalteventils in der Ausgleichsleitung
höher ist
als in dem Sperrdampfzuführsystem.
Somit ist es unterbunden, dass das Sperrdampfzuführsystem der Ausgleichsleitung
einen höheren
Druck aufprägt,
als er momentan in der Ausgleichsleitung vorherrscht.
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Die
Sperrdampfzuführeinrichtung
weist bevorzugt eine Sperrdampfzuführleitung für die Wellenlabyrinthe und
ein Sperrdampfregelventil auf, das zwischen der Frischdampfzuführung und
der Sperrdampfzuführleitung
geschaltet ist und mit dem ein zweites vorbestimmtes Druckniveau
in der Sperrdampfzuführleitung
haltbar ist. Somit sind die Wellenlabyrinthe via die Sperrdampfzuführleitung
mit Frischdampf von der Frischdampfzuführung versorgbar, wobei mit
dem Sperrdampfregelventil der Sperrdampf auf das zweite vorbestimmte
Druckniveau gedrosselt ist. Das zweite vorbestimmte Druckniveau
ist der art gewählt,
dass es zum Sperren der Wellenlabyrinthe geeignet ist.
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Bevorzugt
ist das erste vorbestimmte Druckniveau höher als das zweite vorbestimmte
Druckniveau. Dadurch kann, wenn der Staudampf in der Ausgleichsleitung
stromab des Druckhalteventils das erste vorbestimmte Druckniveau
erreicht hat, via die Rückschlagklappe
in die Sperrdampfzuführleitung strömen, in
der das zweite vorbestimmte Druckniveau herrscht, das niedriger
als das erste vorbestimmte Druckniveau ist.
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Bevorzugt
weist die Kondensationsdampfturbine ein frischdampfseitiges Wellenlabyrinth
auf, das mit der Sperrdampfleitung mit Sperrdampf versorgbar ist.
Das frischdampfseitige Wellenlabyrinth ist bevorzugt durch das erste
vorbestimmte Druckniveau selbstsperrbar. Sobald in der Ausgleichsleitung
das erste vorbestimmte Druckniveau erreicht ist, ist das erste vorbestimmte
Druckniveau der Sperrdampfzuführleitung
aufgeprägt.
Außerdem
liegt an dem frischdampfseitigen Wellenlabyrinth von dem Ausgleichskolben
her das erste vorbestimmte Druckniveau an, wodurch Dampf von dem
Ausgleichskolben durch das frischdampfseitige Wellenlabyrinth strömt. Dadurch
ist das frischdampfseitige Wellenlabyrinth durch das erste vorbestimmte
Druckniveau selbst sperrbar, wodurch von dem frischdampfseitigen
Wellenlabyrinth kein Sperrdampf verbraucht wird. Das erste vorbestimmte
Druckniveau liegt bevorzugt bei 1,1 bar und das zweite vorbestimmte Druckniveau
liegt bevorzugt bei 1,05 bar.
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Außerdem ist
es bevorzugt, dass in der Sperrdampfzuführleitung stromab der Einmündung der
Staudampfzuführleitung
ein Sperrdampfkühler vorgesehen
ist. Beim Betrieb der Kondensationsdampfturbine treten abströmseitig
Temperaturen auf, die unter 100°C
liegen. Von daher sind die Bauteile der Kondensationsdampfturbine
in deren Betrieb im Abdampfbereich auf etwa dieses Temperaturniveau erwärmt. Dadurch,
dass herkömmlich
Frischdampf eine Temperatur von etwa 500°C hat, ist die Temperatur des
Staudampfs nicht wesentlich vermindert. Somit hat der dem abdampfseitigen
Wellenlabyrinth zur Verfügung
gestellte Sperrdampf ein Temperaturniveau, das weit höher als
die Betriebstemperatur der abdampfseitigen Bauteile ist. Somit würde unter
Beaufschlagung des abdampfseitigen Wellenlabyrinths mit ungekühltem Sperrdampf
das abdampfseitige Wellenlabyrinth einer hohen Temperaturbelastung ausgesetzt
sein. Abhilfe schafft der Sperrdampfkühler, mit dem der Sperrdampf
auf ein verkraftbares Temperaturniveau abkühlbar ist.
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Das
Dampfturbinensystem weist bevorzugt eine Leckageabführleitung
zum Abführen
von Leckdampf des frischdampfseitigen Wellenlabyrinths und des abdampfseitigen
Wellenlabyrinths auf. Ferner ist es bevorzugt, dass von der Leckdampfleitung
der Leckdampf mit einem Gebläse
und/oder einem Leckdampfkondensator abführbar ist.
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Im
Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dampfturbinensystems
anhand der beigefügten
schematischen Zeichnungen erläutert.
Es zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung des Dampfturbinensystems im Anfahrbetrieb
einer Kondensationsdampfturbine,
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2 eine
schematische Darstellung des Dampfturbinensystems mit der Kondensationsdampfturbine
im Dauerbetrieb und
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3 eine
schematische Darstellung eines herkömmlichen Dampfturbinensystems.
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In 1 und 2 ist
ein erfindungsgemäßes Dampfturbinensystem
gezeigt, wohingegen in 3 ein herkömmliches Dampfturbinensystem
gezeigt ist. Sowohl das erfindungsgemäße Dampfturbinensystem gemäß 1 und 2 als
auch das herkömmliche
Dampfturbinensystem gemäß 3 weist
eine Kondensationsdampfturbine 1 auf, zu der Frischdampf
an einer Frischdampfzuführung 2 zuführbar ist.
Der Frischdampf wird in der Kondensationsdampfturbine 1 bis
auf Vakuum entspannt und an einem Abdampfstutzen 3 einem
Kondensator (nicht gezeigt) zur Kondensation zugeführt. Die
Kondensationsdampfturbine ist zweistufig ausgeführt und ist von einer Hochdruckstufe 4 und
einer Niederdruckstufe 5 gebildet. Zum Axialschubausgleich
der Hochdruckstufe 4 und der Niederdruckstufe 5 ist
ein erster Ausgleichskolben 6 vorgesehen, durch den Leckdampf
tritt. Der Leckdampf wird über
eine erste Ausgleichsleitung 7 abgeführt, die als eine Zwischeneinspeisung 8 zwischen
der Hochdruckstufe 4 und der Niederdruckstufe 5 ausgeführt ist.
An dem ersten Ausgleichskolben 6 ist ein zweiter Ausgleichskolben 9 vorgesehen,
mit dem der Druck nach dem ersten Ausgleichskolben 6 abbaubar
ist. Von dem zweiten Ausgleichskolben 9 ist eine zweite
Ausgleichsleitung 10 vorgesehen, die in den Abdampfstutzen 3 mündet. Die
Kondensationsdampfturbine 1 weist einen Läufer auf,
der außerhalb
eines Gehäuses
der Kondensationsdampfturbine 1 gelagert ist. Dadurch tritt
der Läufer
mit seiner Welle durch das Gehäuse,
an dem frischdampfseitig ein Wellenlabyrinth 11 und abdampfseitig
ein Wellenlabyrinth 12 vorgesehen ist. Die Wellenlabyrinthe 11 und 12 sind
als geteilte Labyrinthe ausgeführt,
die beim Betrieb der Kondensationsdampfturbine 1 mit Sperrdampf
beaufschlagt sind, der für
das frischdampfseitige Wellenlabyrinth 11 durch eine frischdampfseitige
Sperrdampfzuführleitung 13 und
für das
abdampfseitige Wellenlabyrinth 12 durch eine abdampfseitige
Sperrdampfzuführleitung 14 zugeführt wird.
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Der
Sperrdampf ist von der Frischdampfzuführung 2 beziehbar,
wobei der Frischdampf mit einem Sperrdampfregelventil 15 auf
ein für
den Sperrdampf geeignetes Druckniveau druckreduziert wird. Zur Abkühlung des
Sperrdampfs, der in das abdampfseitige Wellenlabyrinth 12 gespeist
wird, ist in der abdampfseitigen Sperrdampfzuführleitung 14 ein Sperrdampfkühler 16 vorgesehen.
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Jeweils
ein Anteil des Sperrdampfs strömt durch
das frischdampfseitige Wellenlabyrinth 11 bzw. durch das
abdampfseitige Wellenlabyrinth 12 und wird von einer frischdampfseitigen
Leckdampfabführleitung 17 bzw.
einer abdampfseitigen Leckdampfabführleitung 18 abgeführt. Der
Leckdampf wird mit einem Gebläse 19 aus
den Leckdampfabführleitungen 17, 18 gefördert, wobei
stromauf des Gebläses 19 ein Leckdampfkondensator 20 vorgesehen
werden kann.
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Wie
es aus 1 und 2 ersichtlich ist, weist das
erfindungsgemäße Dampfturbinensystem zusätzlich zu
dem herkömmlichen
Dampfturbinensystem gemäß 3 in
der zweiten Ausgleichsleitung 10 ein Druckhalteventil 21 auf.
Das Druckhalteventil 21 ist eingerichtet stromauf in der
zweiten Ausgleichsleitung den Druck auf 1,1 bar zu halten. Zwischen
dem zweiten Ausgleichskolben 9 und dem Druckhalteventil 21 ist
eine Staudampfabführleitung 22 vorgesehen,
in der eine Rückschlagklappe 23 eingebaut
ist. Die Staudampfabführleitung 22 mündet von
der zweiten Ausgleichsleitung 10 in die frischdampfseitige
Sperrdampfzuführleitung 13 und
die abdampfseitige Sperrdampfzuführleitung 14.
Die Rückschlagklappe 23 sperrt
in Strömungsrichtung
von den Sperrdampfzuführleitungen 13, 14 zu
der zweiten Ausgleichsleitung 10 und ist auf Durchströmung schaltbar
von der zweiten Ausgleichsleitung 10 zu den Sperrdampfzuführleitungen 13, 14.
Das Sperrdampfregelventil 15 ist eingerichtet in den Sperrdampfzuführleitungen 13, 14 einen
Druck von 1,1 bar zu halten.
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In 1 ist
das Anfahren der Kondensationsdampfturbine des erfindungsgemäßen Dampfturbinensystems
gezeigt. Beim Anfahren wird der Kondensationsdampfturbine 1 an
der Frischdampfzuführung 2 Frischdampf
zugeführt,
so dass sich frischdampfseitig in der Kondensationsdampfturbine 1 ein entsprechender
Druck einstellt. Über
den ersten Ausgleichskolben 6 und den zweiten Ausgleichskolben 9 entspannt
sich dieser Druck, wobei durch den zweiten Ausgleichskolben 9 sich
ein entsprechender Leckdampfstrom einstellt. In der Startphase der
Kondensationsdampfturbine 1 herrscht in der zweiten Ausgleichsleitung 10 ein
Druck, der unterhalb des ersten vorbestimmten Druckniveaus liegt,
wodurch das Druckhalteventil 21 geschlossen ist.
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Von
der Frischdampfzuführung 2 und über das
Sperrdampfregelventil 15 entspannt liegt Sperrdampf in
den Sperrdampfzuführ leitungen 13, 14 mit einem
Druck von 1,05 bar an, mit dem die Wellenlabyrinthe 11 und 12 zum
Sperren beaufschlagt sind. Dadurch, dass in der Staudampfabführleitung 22 stromab
der Rückschlagklappe 23 ein
Druck von 1,05 bar und stromauf der Rückschlagklappe 23 ein
Druck anliegt, der niedriger als 1,05 bar ist, ist die Rückschlagklappe 23 gesperrt.
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Beim
Fortführen
des Anfahrens der Kondensationsdampfturbine 1 staut sich
in der zweiten Ausgleichsleitung 10 immer mehr Leckdampf,
der von dem zweiten Ausgleichskolben 9 in die zweite Ausgleichsleitung 10 strömt. Schließlich erreicht
der Druck in der zweiten Ausgleichsleitung 10 stromauf des
Druckhalteventils 21 einen Druck, der höher als 1,05 bar ist, so dass
die Rückschlagklappe 23 sich öffnet und
das Sperrdampfregelventil 15 sich schließt. Dadurch
wird der Staudampf, der sich als Leckdampf in der zweiten Ausgleichsleitung 10 angestaut
hat, von der zweiten Ausgleichsleitung 10 durch die Rückschlagklappe 23 via
die Staudampfabführleitung 22 sowohl
in die frischdampfseitige Sperrdampfzuführleitung 13 als auch
in die abdampfseitige Sperrdampfzuführleitung 14 gebracht.
Steigt der Druck in der zweiten Ausgleichsleitung 10 stromauf des
Druckhalteventils 21 auf 1,1 bar, so öffnet sich das Druckhalteventil 21 und
der überschüssige Leckdampf
in der zweiten Ausgleichsleitung 10 wird zu dem Abdampfstutzen 3 geführt. Somit
ist mit Hilfe des Druckhalteventils 21 erreicht, dass der
Staudampf lediglich einen Maximaldruck von 1,1 bar erreicht und
mit Hilfe der Rückschlagklappe 23 und
des Sperrdampfregelventils 15 erzielt, dass der Staudampf
in die Sperrdampfzuführleitungen 13, 14 mit einem
Minimaldruck auf 1,05 bar geleitet wird. Dadurch ist die Kondensationsdampfturbine 1 nach
einer gewissen Zeit des Anfahrens mit Sperrdampf aus dem zweiten
Ausgleichskolben 9 in einem Druckbereich zwischen 1,05
bar und 1,1 bar versorgt.
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Der
Staudampf in der Staudampfabführleitung 22 passiert
den Sperrdampfkühler 16 und
erreicht via die abdampfseitigen Sperrdampfzuführleitung 14 das abdampfseitige
Wellenlabyrinth 12. Aufgrund von Strömungsverlusten ist der Druck
am zweiten Ausgleichskolben 9 höher als am Eintritt, an dem
die frischdampfseitige Sperrdampfzuführleitung 13 in das
frischdampfseitige Wellenlabyrinth 11 mündet, so dass die Sperrdampfströmung von
der frischdampfseitigen Sperrdampfzuführleitung 13 in das frischdampfseitige
Wellenlabyrinth 11 zum Erliegen kommt. Dadurch strömt von dem
zweiten Ausgleichskolben 9 direkt Staudampf 24 durch
das frischdampfseitige Wellenlabyrinth 11, so dass dieses
gesperrt ist.