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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, insbesondere eine
Dampfturbine, aufweisend wenigstens ein erstes Begrenzungsteil und
wenigstens ein zweites Begrenzungsteil, wobei die Begrenzungsteile
unter Bildung einer Trennfuge aneinander befestigbar sind und dabei
zumindest einen Teil eines ersten Druckraumes umschließen. Ferner betrifft
die Erfindung ein Verfahren zur Absenkung des auf eine Trennfuge,
die durch das Aneinanderfügen
wenigstens eines ersten Begrenzungsteils und wenigstens eines zweiten
Begrenzungsteils einer Vorrichtung, insbesondere einer Dampfturbine,
gebildet wird, wirkenden Druckes und zur Reduzierung der auf die
Trennfuge wirkenden Befestigungskräfte, wobei die Begrenzungsteile
wenigstens einen Teil eines ersten Druckraumes umschließen.
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Bei
Dampfturbinen wird ein Strömungskanal durch
verschiedene Begrenzungsteile bzw. Strömungskanalteile, die aneinandergefügt werden,
gebildet. Der gebildete Strömungskanal
wird mit Heißdampf
unter hohem Druck beaufschlagt. Entlang der Längsachse des Strömungskanals
werden Druckräume
mit unterschiedlich hohen Innendrücken gebildet. Daher ist entscheidend,
dass die Verbindung der verschiedenen Begrenzungsteile ausreichend
dicht ist, so dass keine Leckagen auftreten. Dies ist insbesondere
deshalb schwierig, da bei einer Dampfturbine Dampf- bzw. Frischdampftemperaturen
von mehr als 600°C
bei einem Dampfdruck von über
250 bar auftreten können.
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An
der Verbindung zwischen wenigstens zwei Begrenzungsteilen des Strömungskanals
wird eine Trennfuge, bei vier Begrenzungsteilen eine sogenannte
Kreuzteilfuge, gebildet. Eine Kreuzteilfuge weist sowohl eine waagerechte
als auch eine senkrechte Teilfuge auf. Die Ausbildung einer Kreuzteilfuge
ist dann erforderlich, wenn aus Fertigungsgründen oder aus Gründen der
Werkstoffwahl die ersten Begrenzungsteile und die zweiten Begrenzungsteile des
Strömungskanals
getrennt ausgeführt
werden müssen.
Die Begrenzungsteile weisen in der Regel unterschiedliche Werkstoffe
mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
und unterschiedliche Konstruktionen auf. So kann ein Begrenzungsteil aus
einem Stahlguss und das andere Begrenzungsteil kann als Schweißkonstruktion
oder aus einem Sphäroguss
gebildet sein. Die Flanschverbindung an den Trennfugen, insbesondere
den Kreuzteilfugen, ist für Überdruck,
für Unterdruck
oder meist für
wechselnde Druckverhältnisse
auszulegen.
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Die
Ausführung
von Dampfturbinengehäusen
mit einer Kreuzteilfuge besitzt den Vorteil, dass die Herstellung
der Rohteile und die Bearbeitung der Begrenzungsteile an jeweils
kleineren Komponenten erfolgen können.
Damit lassen sich Vorteile sowohl hinsichtlich der Kosten als auch
der Beschaffungs- und Bearbeitungskapazität erschließen. Kreuzteilfugen besitzen
allerdings den Nachteil, dass aufgrund der räumlichen Enge um den Schnittpunkt
der Teilfugen herum nur begrenzte Möglichkeiten der sicheren Verschraubung
bestehen. Damit weisen Kreuzteilfugen eher als andere Teilfugen
die Gefahr einer Leckage auf und werden für Dampfturbinen nur bis zu bestimmten
begrenzten Dampfparametern ausgeführt.
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Es
ist bekannt, Kreuzteilfugen mit Absaugungen auszustatten, um etwaige
auftretende Leckagemengen aufzufangen. Weiterhin ist bekannt, eine Dichtnaht
auf der Innenseite der senkrechten Teilfuge zu schweißen. Problematisch
ist hier eine sichere und ausreichend wärmebewegliche Gestaltung der Schweißnaht, so
dass eine Beschädigung
auch bei instationären
Vorgängen
vermieden wird. Durch die hohen Drücke und Temperaturen kann es
zu Ausdehnungen der entsprechenden Begrenzungsteile kommen, so dass
es an der Dichtnaht zu Rissen und damit zu Leckagen kommen kann.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren
zu schaffen, die es ermöglichen
den Druck und die Kräfte
auf eine Trennfuge, insbesondere auf eine Kreuzteilfuge, zwischen
wenigstens zwei aneinander befestigten Begrenzungsteilen der Vorrichtung,
insbesondere einer Dampfturbine, zu senken bzw. zu reduzieren, wenn bei
einem Betrieb der Vorrichtung hohe Drücke auftreten. Insbesondere
soll eine Kreuzteilfuge an Begrenzungsteilen einer Dampfturbine
einem größeren Einsatzbereich
zugänglich
gemacht werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Vorrichtung, insbesondere eine Dampfturbine, mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch
1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch
20 gelöst.
Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, der
Beschreibung sowie den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details,
die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere
der Dampfturbine, beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren,
und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den
einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen
wird.
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Gemäß dem ersten
Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung, insbesondere
eine Dampfturbine, aufweisend wenigstens ein erstes Begrenzungsteil
und wenigstens ein zweites Begrenzungsteil, wobei die Begrenzungsteile
unter Bildung einer Trennfuge aneinander befestigbar sind und dabei
zumindest einen Teil eines ersten Druckraumes umschließen, bei
der an den dem ersten Druckraum zugewandten Seiten der Begrenzungsteile
ein Abschirmelement vorgesehen ist, das abdichtend gegenüber dem
wenigstens einen ersten Begrenzungsteil und dem wenigstens einen
zweiten Begrenzungsteil angeordnet ist und dabei die Trennfuge vollständig abdeckt,
so dass zwischen den Begrenzungsteilen und dem Abschirmelement ein
Hohlraum gebildet ist, und dass eine Leitung in den Hohlraum geführt ist,
die den Hohlraum mit einem zweiten Druckraum verbindet, gelöst.
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Kern
der Erfindung ist, dass der Bereich der Trennfuge, der dem ersten
Druckraum zugewandt ist, mit einem niedrigeren Druck beaufschlagt
wird, als in dem Strömungskanal
bei Betrieb der Vorrichtung, insbesondere der Dampfturbine, vorherrscht.
Durch die Druckabsenkung an der Trennfuge können auch die auf die Befestigung
der Begrenzungsteile wirkenden Kräfte, insbesondere die Axialkräfte, reduziert werden.
Das wenigstens eine erste und das wenigstens eine zweite Begrenzungsteil
der Vorrichtung werden aneinandergefügt. An der Verbindungsstelle wird
eine Trennfuge, insbesondere eine Kreuzteilfuge, gebildet. Die Begrenzungsteile
werden insbesondere mittels Befestigungsschrauben aneinander befestigt.
Durch die Abschirmung der Trennfuge bzw. der Kreuzteilfuge kann
der Druck auf die Fuge reduziert werden und damit insbesondere die
Axialkräfte auf
die Befestigungsschrauben der Flanschverbindung zwischen den Begrenzungsteilen
reduziert werden.
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Erfindungsgemäß ist an
den dem ersten Druckraum zugewandten Seiten der Begrenzungsteile
ein Abschirmelement vorgesehen, das abdichtend gegenüber dem
wenigstens einen ersten Begrenzungsteil und dem wenigstens einen
zweiten Begrenzungsteil angeordnet ist und dabei die Trennfuge vollständig abdeckt.
Durch die Abdeckung der Trennfuge durch das Abschirmelement wird
zwischen den Begrenzungsteilen und dem Abschirmelement im Bereich
der Trennfuge ein Hohlraum gebildet. In diesen Hohlraum wird eine
Leitung geführt,
die den Hohlraum mit einem zweiten, externen Druckraum verbindet.
Bilden die Begrenzungsteile einen Strömungskanal einer Dampfturbine,
so wird der Bereich der Trennfuge beziehungsweise der Kreuzteilfuge dampfseitig
durch das Abschirmelement geschützt, so
dass in diesem abgeschirmten Bereich niedrigere Umgebungsparameter,
d. h. ein niedrigerer Druck und eine moderat niedrigere Temperatur,
eingestellt werden können.
Durch die Verbindung des Hohlraums mit dem zweiten Druckraum kann
der Druck in dem Hohlraum dem Druck in dem zweiten Druckraum angepasst
werden.
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Die
Abschirmwirkung wird dadurch erreicht, dass ein innerhalb des durch
die Begrenzungsteile gebildeten ersten Druckraumes befindliches
Abschirmelement die Trennfuge bzw. die Kreuzteilfuge vollständig überdeckt
und auf allen Seiten der Fuge abdichtet, also dichtend gegenüber wenigstens
einen ersten und am wenigstens einen zweiten Begrenzungsteil angeordnet
ist. Die Druckabsenkung erfolgt durch die Leitung, welche den Hohlraum
zwischen dem Abschirmelement, den Begrenzungsteilen und der Fuge
mit einem weiter stromab in der Expansion liegenden zweiten Druckraum
verbindet. Der zweite Druckraum oder die Leitung zu dem zweiten
Druckraum kann beispielsweise an der Innenseite des wenigstens einen
ersten und/oder des wenigstens einen zweiten Begrenzungsteils oder
an einem Leitschaufelträger
der Vorrichtung, insbesondere der Dampfturbine, befestigt sein.
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Durch
eine derartige Vorrichtung beziehungsweise eine derartige Dampfturbine
kann der Einsatzbereich einer Trennfugenverbindung, insbesondere
einer Kreuzteilfugenverbindung, zwischen den Begrenzungsteilen einem
größeren Einsatzbereich
zugänglich
gemacht werden.
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Bei
einer derartigen Vorrichtung beziehungsweise einer derartigen Dampfturbine
kann eine Absenkung des Drucks in dem Hohlraum um circa 15 bis 20
bar gegenüber
dem Druck in dem durch die Begrenzungsteile gebildeten ersten Druckraum
der Dampfturbine erreicht werden. Ferner ist eine Reduzierung der
wirksamen Innendruck-bedingten Axialkräfte an den Befestigungsschrauben
um etwa 1/3 gegenüber üblichen
Dampfturbinen möglich.
Die Druckabsenkung geht einher mit einer moderaten Temperaturabsenkung
durch Drosselung. Diese Drosselung kommt zustande durch die Druckabsenkung
etwaiger Leckagemassenströme
vom Innenraum in den Hohlraum ohne Verrichtung technischer Arbeit.
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Das
Abschirmelement kann verschiedenartig ausgebildet sein. So kann
dieses beispielsweise ein eckiges oder ein gebogenes Profil aufweisen.
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Die
Trennfuge kann beispielsweise neben einer Kreuzteilfuge auch als
eine Stoßteilfuge
ausgebildet sein. Hierbei stoßen
drei Begrenzungsteile aneinander.
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Das
wenigstens eine erste und das wenigstens eine zweite Begrenzungsteil
stellen vorzugsweise rotationssymmetrische bzw. im Wesentlichen
rotationssymmetrisch ausgebildete Elemente dar. Im Wesentlichen
rotationssymmetrisch bedeutet, dass die Elemente zylindrische, kegelige
oder gekrümmte Teilbereiche
aufweisen können.
Im Wesentlichen rotationssymmetrische Elemente können an bestimmten Stellen
nicht rotationssymmetrisch ausgebildete Ergänzungen oder Abschnitte, wie
beispielsweise Einströmungen,
Verstärkungen
oder Flansche, aufweisen. Diese rotationssymmetrischen bzw. im Wesentlichen
rotationssymmetrisch ausgebildeten Elemente bilden den Strömungskanal
der Vorrichtung beziehungsweise der Dampfturbine. Es können auch mehr
als zwei Begrenzungsteile vorgesehen sein, wobei die Trennfugen
bzw. die Kreuzteilfugen zwischen den jeweiligen Begrenzungsteilen
entsprechend der Erfindung abgeschirmt sind. Das Abschirmelement
weist bevorzugt ebenfalls ein rotationssymmetrisches bzw. im Wesentlichen
rotationssymmetrisches Profil auf.
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Bevorzugt
ist eine Vorrichtung, bei der die Leitung zu dem Hohlraum durch
eines der Begrenzungsteile oder durch das Abschirmelement geführt ist.
Die Leitung ist bevorzugt als Rohrleitung ausgebildet und verbindet
den Hohlraum vorteilhafterweise mit einem in Strömungsrichtung stromab, d. h.
stromab in der Expansion, liegenden zweiten Druckraum. Dabei kann
die Leitung, insbesondere die Rohrleitung, teilweise oder ganz innerhalb
und/oder außerhalb
der Begrenzungsteile, das heißt
des ersten Druckraumes, geführt
werden.
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Ferner
ist eine Vorrichtung bzw. eine Dampfturbine bevorzugt, bei der das
Abschirmelement und die Abdichtung des Abschirmelementes wärmebeweglich
ausgebildet sind. Hierdurch können
unterschiedliche Verformungen der Begrenzungsteile bezie hungsweise
der Abschirmung aufgrund der teilweise vorherrschenden hohen Temperaturen
und der hohen Drücke
ausgeglichen werden.
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Besonders
bevorzugt ist eine Vorrichtung bzw. eine Dampfturbine, bei der das
Abschirmelement an zumindest zwei umlaufenden Aufnahmen an den Begrenzungsteilen
befestigt, insbesondere aufgehängt,
ist oder dass das Abschirmelement durch wenigstens zwei wärmebewegliche
Dichtungen an den Begrenzungsteilen abdichtend sitzt oder dass das
Abschirmelement an wenigstens einer umlaufenden Aufnahme an zumindest
einem der Begrenzungsteile befestigt, insbesondere aufgehängt, ist und
durch wenigstens eine wärmebewegliche
Dichtung an dem zumindest einem anderen Begrenzungsteil abdichtend
sitzt. So kann vorgesehen sein, dass an der Innenseite der ersten
Begrenzungsteile eine umlaufende Aufnahme vorgesehen ist, an der ein
erster axialer Bereich, insbesondere ein erstes freies Ende, des
Abschirmelementes abdichtend befestigt ist, und dass eine wärmebewegliche
Dichtung zwischen der Innenseite der zweiten Begrenzungsteile und
eines zweiten axialen Bereiches, insbesondere des zweiten freien
Endes, des Abschirmelementes vorgesehen ist. Die Befestigung des
ersten axialen Bereiches bzw. des ersten freien Endes des Abschirmelementes
an der umlaufenden Aufnahme kann beispielsweise mittels Schraubverbindungen oder
durch Einfügen
in eine umlaufende Nut erfolgen. Dabei erfolgt die Fixierung des
Abschirmelementes vorteilhafterweise axial sowie radial zu der Längsachse
des Strömungskanals
an der umlaufenden Aufnahme. Zur besseren Abdichtung kann bei dieser Befestigung
ein Dichtelement vorgesehen sein. Sitzt das Abschirmelement durch
wenigstens zwei wärmebewegliche
Dichtungen abdichtend gegenüber
den Begrenzungsteilen wird das Abschirmelement vorzugsweise durch
eine axiale Fixierung axial fixiert. Diese Fixierung kann an einen
Begrenzungsteil oder einer umlaufenden Nut erfolgen. Insbesondere Schraubverbindungen
sind besonders geeignet.
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Bevorzugt
ist ferner eine Vorrichtung, bei der wenigstens eine umlaufende
Aufnahme durch ein Statorteil gebildet ist. Das Statorteil ist an
wenigstens einem Begrenzungsteil abdichtend fixiert. Ferner kann
die umlaufende Aufnahme durch einen nach Innen und/oder axial vorstehenden
umlaufenden Steg gebildet sein. Die Form bzw. die Ausgestaltung
der wenigstens einen umlaufenden Aufnahme kann verschiedenartig
sein.
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Des
Weiteren ist bevorzugt, wenn die wenigstens eine wärmebewegliche
Dichtung an der wenigstens einen umlaufenden Aufnahme, insbesondere
an dem Statorteil oder dem umlaufenden Steg, abdichtend sitzt.
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Die
wärmebewegliche
Abdichtung kann durch einen druck- und/oder federkraftbelastbaren Kolbenring,
durch eine Labyrinth- bzw. Durchblickdichtung oder durch wenigstens
ein Dichtblech gebildet sein. Insbesondere Kolbenringdichtungen
und Labyrinthdichtungen sind bei extremen Betriebsbedingungen, das
heißt
bei hohen Drücken
und Temperaturen, sehr gut einsetzbar. Labyrinth- bzw. Durchblickdichtungen
können
kleine Spiele aufweisen. Es ist auch denkbar, dass zur wärmebeweglichen
Abdichtung eines axialen Bereiches, insbesondere eines freien Endes,
des Abschirmelementes mehrere Dichtungen oder Dichtbleche vorgesehen
werden.
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Bei
einer anderen bevorzugten Vorrichtung weist wenigstens eines der
Begrenzungsteile der Vorrichtung eine Nut zur Aufnahme der wärmebeweglichen
Abdichtung auf. Dies schafft eine besonders gute Befestigung und
Abdichtung des Abschirmelementes an den entsprechenden Begrenzungsteilen.
Als besonders abdichtend hat sich erwiesen, eine Kolbenringdichtung
in die Nut einzuführen.
Die Dichtung kann dabei in die Nut eingestellt werden.
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Des
Weiteren ist eine Vorrichtung bzw. eine Dampfturbine bevorzugt,
bei der die wärmebewegliche
Dichtung eine geteilte Dichtung ist. Ein Teil der geteilten Dichtung
ist nach dem Anheben des ersten Begrenzungsteils in der Nähe der Trennfuge,
insbesondere der Kreuzteilfuge, trennbar, so dass danach der restliche
Teil der Abschirmung demontiert werden kann. So kann als geteilte
Dichtung eine Kolbenringdichtung in zwei Teilen und mit zwei Stößen vorgesehen
sein. Eine derartige geteilte Dichtung kann unmittelbar an dem Abschirmelement
und/oder an einem der Begrenzungsteile und/oder an wenigstens einer
umlaufenden Aufnahme angeordnet sein. Ein Stoß bildet eine Trennstelle am
Umfang des Kolbenringes. Die Stöße weisen
Abdichtungen und optional Verhakungen auf.
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Aufgrund
der möglichen
Ausdehnung einzelner Bauteile durch den Wärmeeinfluss ist die Leitung vorzugsweise
flexibel ausgebildet und/oder wenigstens an der Durchführung zu
dem Hohlraum verschiebbar gelagert. Hierdurch kann vermieden werden,
dass die Leitung reißt,
wenn es zu einer Wärmeausdehnung
einzelner Bauteile kommt. Trotz der Verschiebbarkeit beziehungsweise
Flexibilität
der Leitung ist diese in der Durchführung zum Hohlraum abgedichtet
angeordnet. Wenn die Leitung als Rohrleitung ausgebildet ist, ist
diese bevorzugt verschiebbar gelagert, da die Rohrleitung weniger
flexibel ausgebildet ist, als eine von vornherein flexible Leitung.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Vorrichtung, insbesondere der Dampfturbine, ist vorgesehen,
dass das Abschirmelement zumindest zweigeteilt ist, wobei die zumindest
zwei Teile des Abschirmelementes abdichtend aneinander befestigbar
sind. Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn das Abschirmelement
axial geteilt ist. So kann vorgesehen sein, dass das Segment des
Abschirmungselementes, an dem die wärmebewegliche Dichtung angeordnet
ist, an dem zweiten Begrenzungsteil befestigt ist, und dass das
zweite Segment an dem ersten Begrenzungsteil angeordnet ist. Bei diesem
Ausführungsbeispiel
kann das Segment mit der wärmebeweglichen
Dichtung nach der Demontage des ersten Begrenzungsteils und des
zweiten Segmentes des Abschirmelementes gemeinsam mit einem Rotor
der Dampfturbine ausgehoben und anschließend demontiert werden. Bei
einer derartigen Ausführungsform
des Abschirmelementes ist eine Kolbenringdichtung besonders bewährt. Die
jeweiligen Segmente des Abschirmelementes können mittels Schraubverbindungen
und wärmebeweglichen Dichtungen
aneinander abdichtend fixiert werden.
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Vorzugsweise
weist das Abschirmelement der Vorrichtung wenigstens eine Anwärmbohrung auf.
Durch eine Anwärmbohrung
ist ein gezielter Massenstrom des in dem Strömungskanal strömenden Heißdampfes
in den Hohlraum abführbar.
Alternativ oder zusätzlich
hierzu können
wärmebewegliche
Dichtungen eingesetzt werden, die bestimmte Lässigkeiten aufweisen. Derartige
Lässigkeiten
aufweisende Dichtungen lassen moderate Leckagemengen durch die Dichtungen
hindurch. Des Weiteren kann eine mittels eines Verriegelungselementes verriegelbare
Anwärmleitung
zu dem Hohlraum geführt
sein. Diese Maßnahmen
dienen zur Erreichung eines verbesserten instationären Verhaltens
der abgeschirmten Trennfuge bzw. Kreuzteilfuge. Sie ermöglichen
eine vorübergehende
Erhöhung
des Wärmeübergangskoeffizienten
der abgeschirmten Bauteile, und zwar mit Hilfe einer temporären Druckerhöhung zwischen
der Abschirmung, d. h. dem Abschirmelement, und der Trennfuge bzw.
der senkrechten Teilfuge der Kreuzteilfuge. Dies erfolgt beispielsweise
durch eine gezielte Zuführung
einer bestimmten Menge des ursprünglich
abgeschirmten Heißdampfes.
Der abgeschirmte Heißdampf
kann zeitweise über
die verriegelbare Anwärmleitung
dem Hohlraum zugeführt
werden. Die Anwärmleitung
weist zumindest ein Verriegelungselement auf. Dieses Verriegelungselement
kann beispielsweise ein Schieber, ein Regler, ein Hahn oder ein
Ventil sein. Aber auch andere Arten von Verriegelungselementen sind
denkbar. Weisen das Abschirmelement Anwärmbohrungen oder die Dichtungen
bestimmte Lässigkeiten
auf, so kann kontinuierlich eine bestimmte Menge an Heißdampf dem
Hohlraum zugeführt
werden. Damit der zugeführte
Heißdampf
in dem Hohlraum gehalten werden kann, weist die Leitung zu dem Druckraum ebenfalls
ein Verriegelungselement auf, welches bei Bedarf geschlossen werden
kann, um kurzfristig die Temperatur und den Druck im Hohlraum zu
erhöhen. Das
Verriegelungselement der Leitung kann ebenfalls als ein Schieber,
ein Regler, ein Hahn, ein Ventil, etc. ausgebildet sein.
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Insbesondere
durch das Verriegelungselement in der Leitung zu dem zweiten Druckraum
können
die Betriebsbedingungen innerhalb des Hohlraums einfach geregelt
werden. Das Verriegelungselement in der Leitung ermöglicht ein
temporäres
Aufstauen des Druckes und auch der Temperatur in dem Hohlraum und
der Leitungsverbindung zum dem, in der Regel stromab liegenden,
zweiten Druckraum. Nach dem Erreichen eines gewünschten Temperaturniveaus in
dem Hohlraum und/oder in den Flanschabschnitten der Trennfuge, insbesondere
der Kreuzteilfuge, bzw. in den für
den instationären
Betrieb maßgeblichen
Abschnitten der Begrenzungsteile wird die Leitung zum zweiten Druckraum
wieder voll geöffnet,
so dass sich für
den stationären
Betrieb wieder ein abgesenkter Druck in dem Hohlraum und damit an
der Teilfuge einstellt. Durch die Öffnung der Leitung ist auch
das Temperaturniveau in dem Hohlraum beziehungsweise in der Leitung
wieder regelbar.
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Ferner
ist eine Vorrichtung bevorzugt, bei der wenigstens eine mittels
eines Verriegelungselementes verriegelbare Kühldampfleitung zu dem Hohlraum
geführt
ist, über
die Kühldampf
in den Hohlraum zuführbar
ist. Das heißt
zusätzlich
zu den zuvor genannten Verbesserungen hinsichtlich des Druckes an der
Trennfuge beziehungsweise der Kreuzteilfuge und der auftretenden
Axialkraft sowie der möglichen moderaten
Temperatursenkung durch Drosselung kann, falls erforderlich, eine
weitere stationäre
Temperaturabsenkung an der Trennfuge beziehungsweise der senkrechten
Teilfuge der Kreuzteilfuge erreicht werden. Dies ist beispielsweise
dann erforderlich, wenn zulässige
Einsatztemperaturen von Begrenzungsteilen, des Abschirmelementes
oder von Schraubenwerkstoffen eingehalten oder mit einer Absenkung
der Bauteiltemperaturen eine Erhöhung
der Festigkeitskennwerte erreicht werden müssen. Hierzu wird vorteilhafterweise
Kühldampf
von einer ersten, in bezug auf die Trennfuge stromab liegenden, Stelle
durch die Kühldampfleitung
in den Hohlraum zwischen dem Abschirmelement und der Teilfuge geleitet
und durch die Leitung zu einer zweiten, weiter stromab liegenden
Stelle zurückgeleitet.
Der Druck in dem Hohlraum kann durch die spezielle Leitungsgestaltung,
in sbesondere Rohrleitungsgestaltung, und ein etwaiges Anstauen in
der Leitung, auch als Abführleitung
bezeichnet, eingestellt werden, und zwar in den Grenzen der Druckniveaus
der ersten und der zweiten Stelle. Diese Lösung ist regelungstechnisch anspruchsvoll
und verlangt eine massivere Ausführung
der Abschirmung, d. h. des Abschirmelementes. Der zusätzliche
Nutzen der beschriebenen Maßnahmen
zur Temperaturabsenkung kann dann fallweise geprüft werden. Die Anwärmleitung,
die Kühldampfleitung
und die Abführleitung
weisen entsprechende Verriegelungselemente auf, durch die eine Regelung des
Druckniveaus ermöglicht
wird. Die Verriegelungselemente können beispielsweise ein Schieber, ein
Regler, ein Hahn oder ein Ventil sein. Aber auch andere Verriegelungselemente
sind denkbar. Weiterhin können
anstelle oder zusätzlich
zu den Verriegelungselementen Strömungswiderstände, wie
beispielsweise Blenden, Drosseln, etc., für die Regelung des Druckniveaus
innerhalb der Leitungen, d. h. der Leitung, der Anwärmleitung
und/oder der Kühldampfleitung,
eingesetzt werden.
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Zusätzlich zu
den zuvor beschriebenen Maßnahmen,
kann an den dem ersten Druckraum abgewandten Seiten der Begrenzungsteile über der Trennfuge,
insbesondere der Kreuzteilfuge, eine Absaugeinrichtung angeordnet
sein, über
die Leckagemengen abgesaugt werden können. Desweiteren kann zusätzlich vorgesehen
sein, dass eine Dichtnaht an der dem ersten Druckraum zugewandten Seite
der Trennfuge, insbesondere der senkrechten Kreuzteilfuge, geschweißt ist.
Hierbei ist auf die sichere und ausreichend wärmebewegliche Gestaltung der
Schweißnaht
zu achten, so dass eine Beschädigung
auch bei instationären
Vorgängen
vermieden wird.
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Gemäß dem zweiten
Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Absenkung des
auf eine Trennfuge, die durch das Aneinanderfügen wenigstens eines ersten
Begrenzungsteils und wenigstens eines zweiten Begrenzungsteils einer Vorrichtung,
insbesondere einer Dampfturbine, gebildet wird, wirkenden Druckes
und zur Reduzierung der auf die Trennfuge wirkenden Befestigungskräfte, wobei
die Begrenzungsteile wenigstens einen Teil eines ersten Druckraumes
umschließen,
wobei an den dem Strömungskanalinneren
zugewandten Seiten der Begrenzungsteile ein Abschirmelement vorgesehen
wird, das abdichtend gegenüber
dem wenigstens einen ersten Begrenzungsteil und dem wenigstens einen
zweiten Begrenzungsteil angeordnet wird und dabei die Trennfuge
vollständig
abdeckt, so dass zwischen den Begrenzungsteilen und dem Abschirmelement
ein Hohlraum gebildet wird, und wobei aus einem zweiten Druckraum
eine Leitung in den Hohlraum geführt
wird, über
die der Druck in dem Hohlraum auf ein niedrigeres Niveau gesenkt
wird, gelöst.
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Durch
die dichte Abdeckung der Trennfuge an der Innenseite der Begrenzungsteile
durch ein Abschirmelement entsteht ein Hohlraum. Zu dem Hohlraum
wird eine Leitung geführt,
die mit einem außerhalb
des Hohlraums liegenden zweiten Druckraum verbunden ist. Durch die
Verbindung des Hohlraums mit dem zweiten Druckraum können in
dem Hohlraum andere Betriebsbedingungen, insbesondere andere Temperaturen
und Drücke,
als im ersten Druckraum eingestellt werden. Insbesondere durch die
Druckabsenkung wird die Belastung auf die Trennfuge, insbesondere
auf die Kreuzteilfuge, reduziert. Dabei hat sich erwiesen, dass
eine Reduzierung des Drucks um 15 bis 20 bar möglich ist. Durch dieses Verfahren
der Druckabsenkung wird der Einsatzbereich der Trennfuge, insbesondere
der Kreuzteilfuge, bei Dampfturbinen und sonstigen Vorrichtungen
deutlich erhöht.
D. h., der Einsatzbereich einer Trennfugenverbindung, insbesondere
einer Kreuzteilfugenverbindung, wird erweitert. Die Druckabsenkung
im Bereich der Trennfuge bzw. Kreuzteilfuge wird durch eine zuverlässige wärmebewegliche
Abschirmung ermöglicht.
Durch eine entsprechend geeignete Gestaltung des Abschirmelementes
wird ein Schubausgleich zur Reduzierung der Flanschkräfte, d.
h., der auf die Befestigungsschrauben der zwei Begrenzungsteile
wirkenden Kräfte,
erreicht. Durch die Druckabsenkung im Bereich der Trennfuge bzw. Kreuzteilfuge
ist eine Reduzierung der wirksamen Innendruck-bedingten Axialkräfte um etwa
1/3 gegenüber
den bekannten Vorrichtungen, bei den denen keine Druckabsenkung
stattfindet, möglich.
Durch die Abschirmung der Trennfuge bzw. der Kreuzteilfuge kann
eine deutliche Steigerung des Einsatzbereiches derartiger Fugen
erreicht werden.
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Insbesondere
bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem der auf die Trennfuge wirkende
Druck und die an der Trennfuge wirkenden Befestigungskräfte durch
eine Vorrichtung, insbesondere eine Dampfturbine, gemäß des ersten
Aspektes der Erfindung abgesenkt bzw. reduziert werden.
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Die
Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 einen
Schnitt durch eine schematisch dargestellte erste Verbindungsmöglichkeit
zweier Begrenzungselemente einer Dampfturbine;
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2 einen
Schnitt durch eine schematisch dargestellte zweite Verbindungsmöglichkeit
zweier Begrenzungselemente einer Dampfturbine;
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3 einen
Schnitt durch eine schematisch dargestellte dritte Verbindungsmöglichkeit
zweier Begrenzungselemente einer Dampfturbine;
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4 einen
Schnitt durch eine schematisch dargestellte vierte Verbindungsmöglichkeit
zweier Begrenzungselemente einer Dampfturbine;
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5 einen
Schnitt durch eine schematisch dargestellte fünfte Verbindungsmöglichkeit
zweier Begrenzungselemente einer Dampfturbine.
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Die 1 bis 5 zeigen
schematisch verschiedene Verbindungsmöglichkeiten zweier Begrenzungselemente 1, 2 einer
Dampfturbine. An der Seiten der Begrenzungselemente 1, 2,
die dem Strömungskanalinneren 4 zugewandt
sind, ist um den Bereich der Trennfuge 3, die insbesondere
als eine Kreuzteilfuge aus gebildet ist, ein Abschirmelement 5 abgeordnet.
Dabei überdeckt
das Abschirmelement 5 die Trennfuge 3 vollständig, so
dass zwischen den beiden Innenseiten der Begrenzungselemente 1, 2, der
Trennfuge 3 und dem Abschirmelement 5 ein abgedichteter
Hohlraum 6 entsteht. Das Abschirmelement 5 schützt die
Trennfuge vor den im Strömungskanal
bzw. im ersten Druckraum, der zumindest teilweise durch die beiden
Begrenzungselemente 1, 2 gebildet wird, vorherrschenden
Bedingungen. In einem Strömungskanal
bzw. in einem Druckraum innerhalb eines Strömungskanals einer im Betrieb
befindlichen Dampfturbine können
Temperaturen von über
600°C und
Drücke
von mehr als 250 bar vorherrschen. Damit die Trennfuge 3 bzw.
die Kreuzteilfuge diesen hohen Bedingungen nicht ausgesetzt wird,
ist das Abschirmelement 5 abdichtend um den Bereich der
Trennfuge 3 bzw. der Kreuzteilfuge an den Begrenzungselementen 1, 2 befestigt.
Die Begrenzungselemente 1, 2 sind als rotationssymmetrische
bzw. als im Wesentlichen rotationssymmetrische Elemente bzw. Teilelemente
ausgebildet. Das Abschirmelement 5 ist an einem axialen
Bereich, hier an einem freien Ende, an einer an dem ersten Begrenzungsteil 1 angeordneten
umlaufenden Aufnahme 9 abdichtend befestigt. Die umlaufende
Aufnahme 9 kann auch ein Statorteil der Dampfturbine oder eine
umlaufender, nach Innen vorstehender Steg sein. Dabei kann das Abschirmelement 5 an
der umlaufenen Aufnahme 9 zumindest leicht beweglich aufgehängt sein.
Ein zweiter axialer Bereich, insbesondere das zweite freie Ende,
des Abschirmelementes 5 ist an der Innenseite des zweiten
Begrenzungsteils 2 abgedichtet angeordnet. Zu Abdichtung dient
eine wärmebewegliche
Dichtung 10. Diese wärmebewegliche
Dichtung 10 kann beispielsweise eine druck- und/oder federkraftbelastbaren
Kolbenringdichtung oder Labyrinthdichtung sein. Das Abschirmelement 5 weist
eine Durchführung
auf, in der eine Leitung 7 abgedichtet einliegt. Die Leitung 7 verbindet
den Hohlraum 6 mit einem außerhalb des Abschirmelementes 5 angeordneten
zweiten, nicht dargestellten, Druckraum. Da in dem zweiten Druckraum ein
niedrigeres Druckniveau vorherrscht, als im Strömungskanalinneren, kann über die
Leitung 7 eine Druckabsenkung in dem Hohlraum 6 erfolgen.
Die Leitung 7 ist bevorzugt zumindest bereichsweise flexibel
ausgebildet und/oder ist verschiebbar in der Durchführung zu
dem Hohlraum 6 gelagert. Die Leitung 7 ist bevorzugt
als Rohrleitung ausgebildet. In der Durchführung zu dem Hohlraum 6 ist
die Leitung 7 durch ein Dichtelement 16 abgedichtet
angeordnet. Die Leitung 7 ist stromabwärts ferner an einem Leitschaufelträger 15,
der an der umlaufenden Aufnahme 9a angeordnet ist, befestigt.
Der zweite Druckraum kann beispielsweise stromabwärts von
dem Leitschaufelträger
vorgesehen sein. Vorzugsweise weist die Leitung 7 ein Verriegelungselement 13,
insbesondere in Form eines Ventils, auf. Über dieses Verriegelungselement 13 können die
Bedingungen, insbesondere der Druck und die Temperatur, innerhalb
des Hohlraums 6 geregelt werden. In dieser Ausführungsvariante
der Dampfturbine weist das Abschirmelement 5 eine Anwärmbohrung 12 auf,
durch die kontinuierlich eine definierte Menge an Heißdampf dem
Hohlraum 6 zugeführt
werden kann. Dies dient zur Verbesserung des instationären Verhaltens der
abgeschirmten Trennfuge bzw. Kreuzteilfuge. Durch das kontinuierliche
Einströmen
einer bestimmten Menge an Heißdampf
und die durch Schließen des
Verriegelungselementes 13 in der Leitung 7 erreichbare
vorübergehende
Druckerhöhung
in dem Hohlraum 6, ist eine vorübergehende Erhöhung des Wärmeübergangskoeffizienten
der dem Hohlraum 6 umgebenden Bauteile möglich. Nach
dem Erreichen des gewünschten
Druck- und Temperaturniveaus kann das Verriegelungselement 13 und
damit die Leitung 7 wieder voll geöffnet werden, so dass sich
für den
stationären
Betrieb der Dampfturbine der Druck in dem Hohlraum 6 wieder
absenkt. Die beiden Begrenzungsteile 1, 2 weisen
Flanschverbindungen auf, durch die Befestigungsschrauben 14 geführt sind.
Alternativ oder zusätzlich
zu der Anwärmbohrung 12 kann
vorgesehen sein, dass die wärmebewegliche
Dichtung 10 eine bestimmte Lässigkeit aufweist, durch die
kontinuierlich eine definierte Menge an Heißdampf in den Hohlraum 6 einströmen kann. Durch
die Abschirmung der Trennfuge 3 wird die Gefahr einer Leckage
an der Trennfuge 3 verringert. Ferner wird durch die Druckabsenkung
eine Reduzierung der auf die Befestigungsschrauben 14 wirkenden
Kräfte,
insbesondere der Axialkräfte,
erreicht.
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Sind
zwei Begrenzungsteile 1, 2 vorgesehen, sind diese
an einer Trennfuge 3 miteinander verbunden. Drei Begrenzungsteile
bilden eine Stoßteilfuge
und vier Begrenzungsteile bilden eine Kreuzteilfuge.
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2 zeigt
eine weitere Ausführungsvariante
der Abdichtung einer Trennfuge 3 bzw. einer Kreuzteilfuge
zwischen zumindest zwei Begrenzungsteilen 1, 2 einer
Dampfturbine. Der Unterschied zu der Ausführungsvariante gemäß der 1 liegt
in der wärmebeweglichen
Dichtung 10. In dieser Ausführungsvariante ist die wärmebewegliche
Dichtung 10 zweigeteilt ausgeführt. Neben der erhöhten Dichtfunktion
hat die zweigeteilte Dichtung 11 Vorteile beim Montieren
beziehungsweise Demontieren des Abschirmelementes 5 an
dem wenigstens einen zweiten Begrenzungsteil 2. Besonders
bevorzugt ist die geteilte Dichtung 11 eine Kolbenringdichtung
in zwei Teilen und mit zwei Stößen. Der
zweite Druckraum ist auch in dieser und in den in den 3–5 gezeigten
Ausführungsvarianten
nicht dargestellt. Der zweite Druckraum ist durch den Innenraum
des wenigstens einen ersten Begrenzungsteils 1 und von
abgedichtet eingesetzten Leitträger gebildet.
Der zweite Druckraum kann neben der Anordnung in dem Strömungskanal
auch außerhalb
des Strömungskanals,
d. h. außerhalb
der Begrenzungsteile 1, 2 angeordnet sein. Der
Flansch 8 des Abschirmelementes 5 dient zum Verschließen der
Teilfuge des zumindest zweigeteilten Abschirmelementes 5.
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Die
in der 3 gezeigte Ausführungsvariante der Abdichtung
einer Trennfuge 3 bzw. einer Kreuzteilfuge zwischen wenigstens
zwei Begrenzungsteilen 1, 2 einer Dampfturbine,
weist eine andere Führung
der Leitung 7 zwischen dem Hohlraum 6 und einem
zweiten Druckraum auf. Die Durchführung zu dem Hohlraum 6 ist
nicht in dem Abschirmelement 5, sondern in dem ersten Begrenzungsteil 1 vorgesehen.
Die Leitung 7 wird außerhalb
des Strömungskanals,
d. h. außerhalb
des ersten Begrenzungsteils 1, geführt und wird erst in einem
stromabwärts
liegenden Bereich wieder in das Strömungskanalinnere 4 geführt und
dort mit dem nicht dargestellten zweiten Druckraum verbunden.
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Die
Leitung 7 ist in der Durchführung zu dem Hohlraum 6 in
dem wenigstens einen ersten Begrenzungsteil 1 durch Dichtelemente
abdichtend befestigt. Das Abschirmelement 5 ist in dieser
Ausführungsvariante
in zwei Segmente 5a, 5b geteilt. Dabei ist das
Abschirmelement 5 axial geteilt. An dem ersten Abschirmelementsegment 5a ist
die wärmebewegliche
Dichtung 10, hier in Form einer geteilten Dichtung 11,
angeordnet. Das zweite Abschirmelementsegment 5b ist an
der umlaufenden Aufnahme 9 an der Innenseite des wenigstens
einen ersten Begrenzungsteils 1 fixiert. Die geteilte Dichtung 11 ermöglicht,
dass das erste Abschirmelementsegment 5a mit der geteilten
Dichtung 11, nach der Demontage des ersten Begrenzungsteils 1 und
des zweiten Abschirmelementsegmentes 5b, gemeinsam mit dem
in dem Strömungskanalinneren 4 vorgesehenen Rotor
der Dampfturbine ausgehoben und entsprechend demontiert werden kann.
Besonders geeignet als geteilte Dichtung 11 ist eine Kolbenringdichtung. Um
einer möglichen
Wärmeausdehnung
eines Bauteils, insbesondere des ersten Begrenzungsteils 1, vorzubeugen,
ist die Leitung vorzugsweise verschiebbar in den Durchführungen
gelagert oder an zumindest einer Stelle flexibel ausgebildet. Die
Abschirmelementsegmente 5a, 5b weisen jeweils
einen Flansch 8a, 8b auf, durch die die zumindest
zweigeteilten Abschirmelementsegmente 5a, 5b miteinander
und ggf. an wenigstens einem der Begrenzungsteile 1, 2 und/oder
an wenigstens einer umlaufenden Nut 9, beispielsweise einem
Statorteil, axial fixiert werden können.
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4 zeigt
eine weitere mögliche
Ausführungsvariante
der Abdichtung einer Trennfuge 3 bzw. einer Kreuzteilfuge
zwischen wenigstens zwei Begrenzungsteilen 1, 2 einer
Dampfturbine. Anstelle einer Anwärmbohrung
oder einer eine Lässigkeit
aufweisenden wärmebeweglichen
Dichtung ist in dieser Ausführungsvariante
eine Anwärmleitung 17 aus dem
Strömungskanalinneren 4 in
den Hohlraum 6 geführt.
Dabei ist die Anwärmleitung 17 nicht
durch das Abschirmelement 5, sondern durch das wenigstens
eine zweite Begrenzungsteil 2 abdichtend geführt. Durch
die Anwärmleitung 17 kann
Heißdampf aus
dem Strömungskanalinneren 4 bzw.
aus dem ersten Druckraum in den Hohlraum 6 geführt werden, um
eine temporäre
Druckerhöhung
und eine Anhebung der Temperatur in dem Hohlraum 6 zu erreichen.
Zur Regelung des Durchfluss des Heißdampfes weist die Anwärmleitung 17 ein
Verriegelungselement 18, insbesondere ein Ventil, auf.
Zur Druckabsenkung ist, wie in 3, eine
Leitung 7 vorgesehen, die zum Teil außerhalb des Strömungskanals
geführt ist.
Bei einer Öffnung
des Verriegelungselementes 18 der Anwärmleitung 17 und einer
gleichzeitigen Schließung
des Verriegelungselementes 13 der Leitung 7 können der
Druck und die Temperatur in dem Hohlraum 6 temporär erhöht werden.
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Falls
eine weitere stationäre
Temperaturabsenkung und Druckabsenkung an der Teilfuge 3 beziehungsweise
der Kreuzteilfuge erreicht werden soll, beispielsweise um zulässige Einsatztemperaturen
der Begrenzungsteile 1, 2 oder von Befestigungsschrauben 14 einzuhalten
oder mit einer Absenkung der Bauteiltemperaturen eine Erhöhung der
Festigkeitskennwerte zu erreichen, kann Kühldampf von einer ersten stromab
liegenden Stelle durch eine weitere Kühldampfleitung 19 in
den Hohlraum 6 zwischen dem Abschirmelement 5,
der Trennfuge 2 und den Begrenzungsteilen 1, 2 geleitet
werden. Durch die Leitung 7, die an einer zweiten, weiter
stromab liegenden Stelle in den Strömungskanal, insbesondere in
einem dritten Druckraum, endet, kann der zugeführte Kühldampf wieder abgeführt werden.
Der Druck in dem Hohlraum 6 kann durch die spezielle Leitungsgestaltung
der Kühldampfleitung 19 und
der Leitung 7 und ein Anstauen in der Leitung 7 eingestellt
werden, und zwar in den Grenzen der Druckniveaus der ersten und
der zweiten Stelle. Diese Lösung
ist allerdings regelungstechnisch anspruchsvoll und verlangt eine
massivere Ausführung
des Abschirmelementes 5.