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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft allgemein die Kühlung einer Rotationskomponente
und insbesondere die Kühlung
eines Radraums in einer Stufe einer Dampfturbine.
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Wenigstens
einige von bekannten stationären
und rotierenden Komponenten, die man in Dampfturbinenmaschinen findet,
sind während
normalen Betriebs Temperatur-, Druck- und Zentrifugalbelastungen
ausgesetzt. Die Auslegung der Hochdruck-(HP)- und/oder Zwischendruck-(IP)-Bereiche bekannter
Dampfturbinenmaschinen kann aufgrund der hohen Temperaturen und
Drücke
des der Dampfturbine zugeführten
Dampfes und wegen des von derartigen Komponenten durchgemachten
Kriechvorgangs komplex sein. Bekannte Temperaturen und Drücke, die
den aerodynamischen und thermodynamischen Auslegungsanforderungen
für wenigstens einige
bekannte Turbinen entsprechen, erfordern eine entsprechende brauchbare
mechanische Auslegungslösung.
Bekannte Auslegungslösungen
konzentrieren sich auf Laufschaufel- und Rotormaterialien und/oder
Geometrien, Dampfturbinenbetriebstemperaturen und/oder Drücke, und/oder
Rohrverbindungslösungen
außerhalb
des Dampfströmungspfades.
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Um
eine brauchbare mechanische Auslegungslösung für einige bekannte Dampfturbinenkomponenten
zu erhalten, erfordern einige bekannte Auslegungen, dass derartige
Komponenten Dampftemperaturen ausgesetzt sind, die bei niedrigeren Temperaturen
liegen als die, die ähnliche
Komponenten während
normalen Operationen bekannter Turbinenabschnitte ausgesetzt wären. Jedoch schränkt eine
Beschränkung
der Betriebstemperaturen und Drücke
in der Turbine den thermodynamischen Auslegungsspielraum ein und
kann zu einer verringerten Turbinenleistung führen.
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Eine
bekannte Auslegungslösung
beinhaltet die Veränderung
der Rotorgeometrie und Materialien zur Erzeugung eines Rotors, der
für einen
Langzeitbetrieb ohne Bereitstellung einer externen Kühlung brauchbar
ist. Jedoch sind derartige Geometrien im Allgemeinen teuerer, reduzieren
den Stufenwirkungsgrad und/oder erfordern teuere Materialien höherer Leistungsfähigkeit
als die Auslegungen, die ein angemessenes Kühlverfahren anwenden. Ein bekanntes
Kühlverfahren
nutzt durch einen Dampfströmungspfad
geführte
Rohre, um einen Kühldampfstrom
zuzuführen.
Beispielsweise können
derartige Rohre in ersten Zwischenüberhitzungs-, Doppelstrombottichstufen
positioniert sein. Derartige Rohre erzeugen jedoch ein Hindernis
in dem Hauptdampfstrom und tragen zur Komplexität des Systems bei.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In
einem Aspekt wird ein Verfahren zum Kühlen einer rotierenden Komponente
in einer Dampfturbine bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet die Durchführung eines
Kühlfluids
durch einen in einer stationären
Komponente der Dampfturbine definierten äußeren Sammelraum, und die Durchführung des
Kühlfluids
aus dem äußeren Sammelraum
durch einen in einem Schaufelblatt der stationären Komponente definierten
Durchgang. Das Kühlfluid
wird aus dem Schaufelblattdurchgang durch einen inneren Sammelraum
der stationären
Komponente ausgegeben, um die Kühlung
einer benachbarten rotierenden Komponente zu ermöglichen.
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In
einem weiteren Aspekt wird eine ringförmige stationäre Komponente
zur Anwendung bei einer Dampfturbine bereitge stellt. Die stationäre Komponente
enthält
einen ersten Ring mit einem darin definierten ersten Sammelraum
und einen zweiten Ring mit einem zweiten Sammelraum und wenigstens
einen darin definierten Auslass. Der zweite Sammelraum ist in Strömungsverbindung
mit dem Auslass gekoppelt und der zweite Ring befindet sich radial
innerhalb des ersten Rings. Die stationäre Komponente enthält ferner
wenigstens ein sich zwischen dem ersten Ring und dem zweiten Ring
erstreckendes Schaufelblatt. Das Schaufelblatt enthält einen
Durchgang, der sich dadurch von einem ersten Ende des Schaufelblattes
zu einem zweiten Ende des Schaufelblattes erstreckt. Der Schaufelblattdurchgang
steht mit dem ersten Sammelraum und dem zweiten Sammelraum in Strömungsverbindung.
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In
noch einem weiteren Aspekt wird eine Dampfturbine bereitgestellt.
Die Dampfturbine enthält
eine Rotorwelle mit mehreren damit gekoppelten Laufschaufeln. Die
Dampfturbine enthält
ferner eine mit einem Dampfturbinengehäuse gekoppelte stationäre Komponente,
wobei die stationäre
Komponente stromaufwärts
vor den Laufschaufeln so gekoppelt ist, dass ein Radraum zwischen
den Laufschaufeln und der stationären Komponente definiert ist.
Die stationäre
Komponente enthält
einen mit der Dampfturbine gekoppelten ersten Ring, einen mit der
Dampfturbine radial innerhalb des ersten Rings gekoppelten zweiten
Ring und wenigstens ein sich zwischen dem ersten Ring und dem zweiten
Ring erstreckendes Schaufelblatt. Die Dampfturbine enthält einen wenigstens
durch den ersten Ring, das Schaufelblatt und den zweiten Ring definierten
Kühlfluidströmungspfad.
Der Kühlfluidströmungspfad
ist so eingerichtet, dass er dem Radraum ein Kühlfluid zuführt.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Ansicht einer exemplarischen Dampfturbinenmaschine.
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2 ist
eine Querschnittsansicht einer exemplarischen ersten Turbinenstufe,
die bei der in 1 dargestellten Dampfturbine
verwendet werden kann.
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3 ist
eine perspektivische Ansicht einer exemplarischen stationären Komponente,
die bei der in 2 dargestellten Turbinendüse verwendet
werden kann.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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1 ist
eine schematische Darstellung einer exemplarischen Gegenstrom-Dampfturbinenmaschine 100 mit
einem Hochdruck-(HP)-Bereich 102 und einem Zwischendruck-(IP)-Bereich 104.
Eine HP-Ummantelung oder -Gehäuse 106 ist
axial in obere und untere Halbbereiche 108 bzw. 110 unterteilt. Ähnlich ist
eine IP-Ummantelung 112 axial in obere bzw. untere Halbbereiche 114 und 116 unterteilt.
In der exemplarischen Ausführungsform
sind die Ummantelungen 106 und 112 innere Gehäuse. Alternativ
sind die Ummantelungen 106 und 112 äußere Gehäuse. In
der exemplarischen Ausführungsform sind
die Ummantelungen 106 und 112 so abgedichtet,
dass keine Umgebungsluft in die Maschine 100 eintritt.
Ein zwischen dem HP-Bereich 102 und dem IP-Bereich 104 positionierter
Mittenbereich 118 enthält
einen Hochdruckdampfeinlass 120 und einen Zwischendruckdampfeinlass 122.
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Ein
ringförmiger
Bereichsteiler 134 erstreckt sich von dem Mittenbereich 118 radial
zu einer Rotorwelle 140 nach innen, die sich zwischen dem
HP-Bereich 102 und IP-Bereich 104 er streckt. Insbesondere
erstreckt sich der Teiler 134 in Umfangsrichtung um einen
Abschnitt der Rotorwelle 140 zwischen einer Einlassdüse 136 des
ersten HP-Bereichs und einer Einlassdüse 138 des ersten
IP-Bereichs. Der Teiler 134 ist in einem Kanal 142 aufgenommen.
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Während des
Betriebs nimmt der Hochdruckdampfeinlass 120 Hochdruck/Hochtemperatur-Dampf 144 auf
einer Dampfquelle, beispielsweise einem (nicht dargestellten) Betriebsdampferzeuger auf.
Der Dampf 144 wird von der Einlassdüse 136 aus durch den
HP-Bereich 102 geführt,
wobei aus dem Dampf 144 Arbeit zum Antreiben der Rotorwelle über (in 2 und 3 dargestellte)
mehrere Turbinenblätter
oder Laufschaufeln 202 entzogen wird, die mit der Welle 140 gekoppelt
sind. Jeder Satz von Laufschaufeln 202 enthält einen
(in den 2 und 3 dargestellten)
entsprechenden Zwischentrennwand 204, der die Führung des
Dampfes 144 zu zugeordneten Laufschaufeln 202 ermöglicht.
Der Dampf 144 verlässt
den HP-Bereich 102 und wird in den Dampferzeuger zurückgeführt, wo
er wieder erhitzt wird. Der wieder erhitzte Dampf 146 wird
dann zu dem Zwischendruckdampfeinlass 122 geleitet und über die
Einlassdüse 138 in
den IP-Bereich 104 bei einem verringerten Druck gegenüber dem
in den HP-Bereich 102 eintretenden Dampf 144,
jedoch bei einer Temperatur, die angenähert gleich der Temperatur
des in den HP-Bereich 102 eintretenden Dampfes ist, zurückgeführt. Arbeit
wird aus dem Dampf 146 im IP-Bereich 104 in einer
im Wesentlichen ähnlichen wie
der für
den HP-Bereich 102 angewendeten über ein System rotierender
und stationärer
Komponenten entzogen. Demzufolge ist ein Betriebsdruck in dem HP-Bereich 102 höher als
ein Betriebsdruck in dem IP-Bereich 104, sodass Dampf 144 in
dem HP-Bereich 102 dazu
tendiert, zu dem IP-Bereich 104 über Leckagepfade zu strömen, die
sich zwischen dem HP-Bereich 102 und dem IP-Bereich 104 entwickeln können.
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In
der exemplarischen Ausführungsform
ist die Dampfturbinenmaschine 100 eine Hochdruck- und Zwischendruckdampfturbinenkombination
im Gegenstrombetrieb. Alternativ kann die Dampfturbinenmaschine 100 bei
jeder Einzelturbine einschließlich,
jedoch nicht darauf beschränkt,
Niederdruckturbinen eingesetzt werden. Zusätzlich ist die vorliegende
Erfindung nicht auf Gegenstromdampfturbinen beschränkt, sondern
kann bei Dampfturbinenkonfigurationen eingesetzt werden, die Einfachstrom-
und Doppelstromdampfturbinen umfassen, jedoch nicht darauf beschränkt sind.
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2 ist
eine Querschnittsansicht einer exemplarischen ersten Turbinenstufe 200,
die bei der Dampfturbinenmaschine 100 eingesetzt werden kann. 3 ist
eine perspektivische Ansicht einer Zwischentrennwand 204,
die bei der Turbinenstufe 200 eingesetzt werden kann. In
der exemplarischen Ausführungsform
ist die Zwischentrennwand 204 aus Legierungsstählen wie
z. B. 12 Prozent Chrom (Cr), oder besser Schmiedeteilen oder Stangenmaterial hergestellt.
Ferner ist in der exemplarischen Ausführungsform die äußere Geometrie
der Zwischentrennwand 204 eine bekannte äußere Geometrie
für eine stationäre Komponente
in einer Dampfturbine.
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In
der exemplarischen Ausführungsform
enthält
die Turbinenstufe 200 eine erste Hochdruckbereich-Einlassdüse 136.
Obwohl die Turbinenstufe 200 hierin als eine erste Turbinenstufe
zur Verwendung in einer Hochdruckdampfturbine beschrieben wird,
sind die hierin beschriebenen Ausführungsformen nicht nur auf
eine Nutzung bei einer ersten Stufe beschränkt, sondern können stattdessen
bei jeder Turbinenstufe und/oder jeder Dampfturbine mit einer darin
angewendeten Kühlfluidströmung angewendet werden.
In der exemplarischen Ausführungsform
enthält
die Stufe 200 ein Rotorrad 206 und eine Zwischentrennwand 204.
Das Rotorrad 206 enthält
eine Reihe 208 von Laufschaufeln 202 und die Zwischentrennwand 204 enthält eine
Reihe 210 von Schaufelblättern 212. Ein Hauptströmungspfad 214 ist
durch den (in 1 dargestellten) Hochdruckbereich 102 so
definiert, dass der (in 1 dargestellte) Dampf 144 durch
Schaufelblätter 212 und
Laufschaufeln 202 während
des Turbinenbetriebs strömt.
Insbesondere leitet jedes Schaufelblatt 212 Dampf 144 stromabwärts durch
axial benachbarte Laufschaufeln 202. Ferner ist ein Radraum 216 zwischen
einer stromaufwärts
befindlichen Oberfläche 218 des
Rades 206 und einer stromabwärts befindlichen Oberfläche 220 der
Zwischentrennwand 204 definiert. In der exemplarischen
Ausführungsform
ist das Rad 206 mit der (in 1 dargestellten)
Rotorwelle 140 gekoppelt und jede Laufschaufel 202 dreht
das Rad 206 und die Rotorwelle 140, wenn Dampf 144 mit
der Laufschaufel 202 in Kontakt kommt. In der exemplarischen
Ausführungsform
enthält
jede Laufschaufel 202 eine Dichtung 222, die mit
einer Laufschaufelspitze 224 gekoppelt ist.
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In
der exemplarischen Ausführungsform
enthält
die Zwischentrennwand 204 einen stationären inneren Ring 226 und
einen stationären äußeren Ring 228.
Ein inneres Ende 232 des Schaufelblattes 212 ist
mit dem inneren Ring 226 gekoppelt und ein äußeres Ende 230 des
Schaufelblattes 212 ist mit dem äußeren Ring 228 gekoppelt.
In der exemplarischen Ausführungsform
enthält
der innere Ring 226 eine Rotordichtung 234, die
angrenzend an die Rotorwelle 140 positioniert ist, um es
zu ermöglichen
zu verhindern, dass Dampf 144 und/oder Kühlfluid 236 zwischen
dem inneren Ring 226 und der Rotorwelle 140 strömt. In der
exemplarischen Ausführungsform ist
das Kühlfluid 236 ein
Kühldampf.
Alternativ ist das Kühlfluid 236 jedes
zum Kühlen
der Stufe 200 geeignete Fluid und das der Dampfturbinenmaschine 100 ermöglicht,
so wie hierin beschrieben zu funktionieren.
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Ferner
enthält
in der exemplarischen Ausführungsform
der innere Ring 226 auch eine Raddichtung 238,
die angrenzend an einen stromaufwärts befindlichen Radvorsprung 240 positioniert
ist, um es zu ermöglichen
zu verhindern, dass Dampf 144 aus dem Hauptströmungspfad 214 in
den Radraum 216 eintritt. Der innere Ring 226 enthält auch
einen inneren Sammelraum 242 für Kühlfluid und mehrere Kühlfluidauslässe 244.
In der exemplarischen Ausführungsform
ist der innere Sammelraum 242 ein ringförmiger Schlitz 246,
der in einer Außenoberfläche 248 des
inneren Rings 226 definiert ist. Ferner ist in der exemplarischen
Ausführungsform der
innere Sammelraum 242 und jeder Auslass 244 in
einem Stück
mit einem inneren Ring 226 ausgebildet. In einer Ausführungsform
ist der innere Ring 226 nur ein einziges Teil. In einer
alternativen Ausführungsform
ist der innere Ring 226 aus mehreren (nicht dargestellten)
Segmenten ausgebildet. Ferner erstreckt sich in der exemplarischen
Ausführungsform
jeder Kühlfluidauslass 244 aus
dem inneren Sammelraum 242 durch die stromabwärts befindliche
Oberfläche
der Zwischentrennwand. In der exemplarischen Ausführungsform
ist eine Mittellinie 250 des Auslasses 244 im
Wesentlichen senkrecht zu einem (in 1 dargestellten)
Turbinenradius R ausgerichtet. In einer weiteren Ausführungsform
ist die Auslassmittellinie 250 schräg in Bezug auf den Turbinenradius
R ausgerichtet.
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In
der exemplarischen Ausführungsform
enthält
der äußere Ring 228 eine
Dampfdichtung 252, die angrenzend an einen (in 1 dargestellten) Hochdruckdampfeinlass 120 angeordnet
ist, um es zu ermöglichen
zu verhindern, dass der Dampf 144 zwischen dem äußeren Ring 228 und
der (in 1 dargestellten) Ummantelung 106 strömt. Die
Dampfdichtung 252 kann sich entweder in der Zwischentrennwand 204 oder
an einer Schnittstelle 254 befinden, die zwischen der Zwischentrennwand 204 und der
Ummantelung 106 definiert ist. In der exemplarischen Ausführungsform
enthält
der äußere Ring 228 auch
eine Raddichtung 256, die auf einer stromabwärts befindlichen
Oberfläche 258 positioniert
ist und eine Laufschaufeldichtung 260, die mit einer Innenoberfläche gekoppelt
ist. Die Dichtungen 256 und 260 ermöglichen
die Verhinderung, dass Dampf aus dem Hauptströmungspfad 214 in die
Ummantelung 106 strömt.
Insbesondere ist in der exemplarischen Ausführungsform die Laufschaufeldichtung 260 so
eingerichtet, dass sie mit der Laufschaufelspitzendichtung 222 in
Eingriff steht.
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Der äußere Ring 228 enthält auch
einen äußeren Sammelraum 262 für Kühlfluid
und mehrere Kühlfluiddurchgänge 264.
In der exemplarischen Ausführungsform
ist der äußere Sammelraum 262 ein
ringförmiger
Schlitz 266, der in einer Außenoberfläche 268 des äußeren Rings 228 definiert
ist. Ferner ist in der exemplarischen Ausführungsform der äußere Sammelraum 262 nur
in einem ersten Abschnitt 270 des äußeren Rings 228 definiert.
Ein Kanal 272 ist in einem zweiten Abschnitt 274 des äußeren Rings 228 definiert,
wobei der zweite Abschnitt 274 der nicht in dem ersten
Abschnitt 270 enthaltene Abschnitt des äußeren Rings 228 ist.
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In
der exemplarischen Ausführungsform
sind der äußere Sammelraum 262 und
jeder Durchgang 264 in einem Stück mit dem äußeren Ring 228 ausgebildet.
In einer Ausführungsform
ist der äußere Ring 228 einteilig.
In einer alternativen Ausführungsform
enthält
der äußere Ring 228 mehrere
(nicht dargestellte) Segmente. Ferner erstreckt sich in der exemplarischen
Ausführungsform
jeder Kühlfluiddurchgang 264 vom äußeren Sammelraum 262 durch
den äußeren Ring 228 und
der Innenoberfläche 276 des äußeren Rings
aus. In der exemplarischen Ausführungsform
ist eine Mittellinie 278 des Durchgangs 264 im
Wesentlichen parallel zum Turbinenradius R ausgerichtet. In einer
weiteren Ausführungsform
ist die Durchgangmittellinie 278 in Bezug auf den Turbinenradius
R schräg
ausgerichtet. Ferner hat in der exemplarischen Ausführungsform
jeder Durchgang 264 denselben Durchmesser D0.
Alternativ kann jeder Durchgang 264 jede beliebige Form,
Größe und/oder
Ausrichtung haben, die es ermöglicht,
dass die Maschine 100 wie hierin beschrieben funktioniert.
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Jedes
Schaufelblatt 212 in der exemplarischen Ausführungsform
enthält
einen Schaufelblattdurchgang 280. Eine Mittellinie 282 jedes
Schaufelblattdurchgangs 280 ist im Wesentlichen parallel
zum Turbinenradius R ausgerichtet. Alternativ ist die Durchgangmittellinie 282 in
Bezug auf den Turbinenradius R schräg ausgerichtet. In der exemplarischen Ausführungsform
ist der Durchgang 280 durch einen breitesten Abschnitt 284 jedes
Schaufelblattes 212 so definiert, dass die äußere Geometrie
des Schaufelblattes 212 nicht durch den Durchgang 280 geändert wird.
Alternativ kann der Durchgang 280 in dem Schaufelblatt
an jeder geeigneten Stelle definiert sein, die die Funktion der
Maschine 100 wie hierin vorstehend beschrieben ermöglicht und/oder
die sicherstellt, dass eine äußere Geometrie
des Schaufelblattes 212 nicht von dem Durchgang 280 abhängt.
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Des
Weiteren hat in der exemplarischen Ausführungsform jeder Durchgang 280 denselben Durchmesser
DA. Alternativ kann jeder Durchgang 280 jede beliebige
Form, Größe und/oder
Orientierung haben, die eine Funktion der Maschine 100 wie hierin
beschrieben ermöglicht.
Der Durchmesser DA ist in der exemplarischen Ausführungsform
kleiner als der Durchmesser D0. In weiteren
Ausführungsformen
kann der Durchmesser DA größer oder
angenähert
gleich dem Durchmesser D0 sein. Außerdem ist in
der exemplarischen Ausführungsform
ein Einlass 286 des Schaufelblattdurchgangs 280 im
Wesentlichen zu einem Auslass 288 des Durchgangs 264 des äußeren Rings
ausgerichtet, und ein Auslass 290 des Schaufelblattdurchgangs 280 steht
mit einem inneren Sammelraum 242 in Strömungsverbindung. Insbesondere
ist in der exemplarischen Ausführungsform
die Mittellinie 282 des Schaufelblattdurchgangs im Wesentlichen
koaxial zu der Durchgangmittellinie 278 des äußeren Rings.
Alternativ kann die Mittellinie 262 versetzt und/oder in
Bezug auf die Mittellinie 278 schräg ausgerichtet sein.
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In
der exemplarischen Ausführungsform
ist die Anzahl der Auslässe 288 des äußeren Rings gleich
der Anzahl der Schaufelblätter 212,
die in dem ersten Abschnitt 270 des äußeren Rings gekoppelt sind.
Ebenso ist die Anzahl der Auslässe 244 gleich der
Anzahl der Schaufelblätter 212,
die in dem ersten Abschnitt 270 in dem äußeren Ring gekoppelt sind.
In einer alternativen Ausführungsform
ist die Anzahl der Auslässe 288 des äußeren Rings
größer als
oder kleiner als die Anzahl der Schaufelblätter 212, die in dem
ersten Abschnitt 270 in dem äußeren Ring gekoppelt sind,
und/oder die Anzahl der Auslässe 244 ist
größer als
oder kleiner als die Anzahl der Schaufelblätter 212, die in dem
ersten Abschnitt 270 des äußeren Rings gekoppelt sind.
In einer weiteren Ausführungsform
ist die Anzahl der Auslässe 288 des äußeren Rings
gleich der Anzahl der Schaufelblätter 212,
die in dem ersten Abschnitt 270 in dem äußeren Ring gekoppelt sind,
und/oder die Anzahl der Auslässe 244 ist
gleich der Anzahl der Schaufelblätter 212, die
in der Zwischentrennwand 204 gekoppelt sind. In noch einer
weiteren Ausführungsform
ist die Anzahl der Auslässe 288 des äußeren Rings
und/oder die Anzahl der Auslässe 244 nicht
von der Anzahl der Schaufelblätter 212 abhängig. Alternativ
können
die Anzahl und/oder die Abmessung des Sammelraums 242 und/oder 262,
des Durchgangs 280, des Durchgangs 264, des Auslasses 244 und/oder
der Schaufelblätter 212,
die den Durchgang 280 dadurch hindurch enthalten, so gewählt sein,
dass sie eine Menge des der Stufe 200 zugeführten Kühlfluids 236 und/oder
eine Ge schwindigkeit des Fluids 236 in den Kanälen 280,
den Durchgängen 264 und/oder
Auslässen 244 steuern.
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Während des
Betriebs der Maschine 100 wird Dampf 144 dem Hochdruckbereich 102 über den Hochdruckdampfeinlass 120 und
entlang dem Hauptströmungspfad 214 zugeführt, und
Kühlfluid 236 wie
z. B. Kühldampf,
wird der Stufe 200 über
ein oder mehrere (nicht dargestellte) Rohre oder Durchgänge zugeführt, welche
die Ummantelung 106 in der Nähe des äußeren Rings 228 durchdringen.
Die Dampfdichtung 252 ermöglicht zu verhindern, dass Dampf 144 in
den äußeren Sammelraum 262 eintritt und/oder
Fluid 238 aus dem äußeren Sammelraum 262 in
den Hauptströmungspfad 214 austritt.
Der Dampf 144 wird zwischen den Schaufelblättern 212 den
Laufschaufeln 202 zum Drehen der Rotorwelle 140 zugeführt. Die
Dichtungen 222, 260 und/oder 238 ermöglichen
die Sicherstellung, dass der Dampf 144 entlang dem Hauptströmungspfad 214 wandert und
ermöglichen
die Verhinderung von Lecks in dem Hochdruckbereich 102.
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Das
Kühlfluid 236 kann
aus jeder geeigneten Kühlfluidquelle,
wie z. B. einer Kühldampfquelle
außerhalb
der Ummantelung, 106 und/oder 112, einer (nicht
dargestellten) stromabwärts
befindlichen Stufe, und/oder einem Leckagestrom in der Maschine 100 zugeführt werden.
In der exemplarischen Ausführungsform
tritt das Kühlfluid 238 in
den äußeren Sammelraum 262 und/oder
Kanal 272 ein und wird aus dem äußeren Ring 228 durch
Durchgänge 264 ausgegeben.
Das aus Durchgängen 264 ausgegebene
Kühlfluid 236 tritt
in Schaufelblattdurchgänge 280 ein
und wird dann durch die Schaufelblattdurchgänge 280 geleitet,
bevor es von Auslässen 290 ausgegeben
wird. Das Kühlfluid 236 tritt
aus den Durchgängen 280 in
den inneren Sammelraum 242 ein. Das Kühlfluid 236 wird dann
durch die Auslässe 244 in den
Radraum 216 geleitet, um die Kühlung des Rades 206 und/oder
des Radraums 216 zu ermöglichen.
In der exemplarischen Ausführungsform
wird das Kühlfluid 236 aus
dem Radraum 216 entlang jedem geeigneten Strömungspfad
für einen
Eintritt des Kühlfluids 236 in
den Hauptströmungspfad 214 durch die
Rotordichtung 234, die Dichtung 238 und/oder (nicht
dargestellte) Ausgleichslöcher,
und/oder entlang irgendeinem anderen geeigneten Pfad ermöglicht,
der es der Maschine 100 ermöglicht, wie hierin beschrieben
zu funktionieren.
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Die
vorstehend beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen ermöglichen
die Kühlung
einer Rotationskomponenten in einer Dampfturbine ohne Modifizierung äußerer Geometrien
der Komponente, Komponentenmaterialien und/oder Dampftemperatur
und/oder des Druckes. Insbesondere hat die vorstehend beschriebene
Zwischentrennwand einen eingeschränkten oder keinen Einfluss
auf die physikalische Geometrie des Strömungspfades, während sie
gleichzeitig den erforderlichen Kühldampf bereitstellt, um einen
zuverlässigen
Langzeitbetrieb eines mit Laufschaufeln versehenen Dampfturbinenrotors zu
ermöglichen.
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Ferner
enthalten die vorstehend beschriebenen Schaufelblätter Durchgänge, durch
welche Kühlfluid
radial nach innen strömen
kann, obwohl in HP- und IP-Bereichen von Dampfturbinen verwendete Schaufelblätter historisch
durchgehend massive Bereiche hatten. Somit ermöglichen die vorstehend beschriebenen
Schaufelblätter
die Kühlung
von Rotationskomponenten ohne eine Rohrleitung in dem Strömungspfad
zu erfordern, der die Dampfströmung stört. Ferner
beeinträchtigen
die Durchgänge
in den Schaufelblättern
die äußere Form
der Schaufelblätter nicht.
Zusätzlich
können
der Sammelraum, der Durchgang, Durchlass und/oder die Auslassabmessung
und/oder die Anzahl der Schaufelblätter, die einen Durchgang dadurch
hindurch aufweisen, gewählt
werden, um die Steuerung der Menge des zugeführten Kühlfluids und/oder der Geschwindigkeit des
Fluids in den Durchgängen,
Durchlässen und/oder
Auslässen
zu steuern.
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Ferner
ermöglicht
die vorstehend beschriebene Zwischentrennwand die Kühlung eines
Fluids in einem an eine Rotationskomponente angrenzenden Radraum
durch eine niedrigere Temperatur in dem Radraum. Eine derartige
Reduzierung der Radraumtemperatur reduziert eine Volumentemperatur
der benachbarten Rotationskomponente. Ferner kann durch radiales
Einführen
des Kühlfluids
von einer radial äußeren Oberfläche der
Zwischentrennwand durch einen äußeren Ring,
ein Schaufelblatt und einen inneren Ring, die Temperatur des äußeren Rings,
des Schaufelblattes und des inneren Rings im Vergleich zu Zwischenwänden verringert
werden, die keinen Kühlfluidströmungspfad
dadurch hindurch enthalten. Der vorstehend beschriebene Kühlfluidströmungspfad
liefert einen Kühldampfstrom
durch eine unmodifizierte bekannte Stufengeometrie, um ein Rotorrad
zu kühlen.
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Das
vorstehend beschriebene Verfahren, welches Kühldampf von außerhalb
der abgedichteten äußeren und/oder
inneren Ummantelungen zu dem Radraum über den Strömungspfad bringt, ermöglicht die
Minimierung eines nachteiligen Effektes auf die Turbinenleistung
durch Minimierung des geometrischen Einflusses auf den Dampfpfad
im Vergleich zu Konstruktionen, die in dem Dampfpfad angeordnete
Rohre enthalten.
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Exemplarische
Ausführungsformen
eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Kühlen einer Rotationskomponente
in einer Dampfturbine sind vorstehend im Detail beschrieben. Das
Verfahren und die Vorrichtung sind nicht auf die hierin beschriebenen
spezifischen Ausführungsformen
beschränkt, sondern
es können
Komponenten des Verfahrens und der Vorrichtung unabhängig und
getrennt von anderen hierin beschriebenen Komponenten verwendet werden.
Beispielsweise kann die Zwischentrennwand in Kombination mit anderen
Dampfturbinensystemen und Verfahren verwendet werden, und ist nicht auf
die praktische Umsetzung nur in dem Hochdruckdampfturbinenbereich
wie hierin beschrieben beschränkt.
Stattdessen kann die vorliegende Erfindung in Verbindung in anderen
Dampfturbinenkühlanwendungen
implementiert und eingesetzt werden.
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Obwohl
die Erfindung in Form verschiedener spezifischer Ausführungsformen
beschrieben wurde, weiß der
Fachmann auf diesem Gebiet, dass die Erfindung mit Modifikationen
innerhalb des Erfindungsgedankens und Schutzumfangs der Ansprüche in die Praxis
umgesetzt werden kann.
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- 100
- Dampfturbinenmaschine
- 102
- Hochdruck-(HP)-Bereich
- 104
- Zwischendruck-(IP)-Bereich
- 106
- Ummantelungen
- 108
- Untere
Halbbereiche
- 110
- Halbbereiche
- 112
- Ummantelungen
- 114
- Untere
Halbbereiche
- 116
- Halbbereiche
- 118
- Mittenbereich
- 120
- Hochdruckdampfeinlass
- 122
- Zwischendruckdampfeinlass
- 134
- Ringförmiger Bereichsteiler
- 136
- Hochdruckeinlassdüse
- 138
- Zwischendruckeinlassdüse
- 140
- Rotorwelle
- 142
- Kanal
- 144
- Hochtemperaturdampf
- 146
- Zwischenerhitzerdampf
- 200
- Erste
Turbinenstufe
- 202
- Laufschaufel
- 204
- Zwischentrennwand
- 206
- Rotorrad
- 208
- Reihe
- 210
- Reihe
- 212
- Schaufelblatt
- 214
- Hauptströmungspfad
- 216
- Radraum
- 218
- Stromaufwärts befindliche
Oberfläche
- 220
- Stromabwärts befindliche
Oberfläche
- 222
- Laufschaufelspitzendichtung
- 224
- Laufschaufelspitze
- 226
- Innerer
Ring
- 228
- Äußerer Ring
- 230
- Äußeres Ende
- 232
- Inneres
Ende
- 234
- Rotordichtung
- 236
- Kühlfluid
- 238
- Raddichtung
- 240
- Stromaufwärts befindlicher
Radvorsprung
- 242
- Innerer
Sammelraum
- 244
- Auslässe
- 246
- Ringförmiger Schlitz
- 248
- Äußere Oberfläche
- 250
- Auslassmittellinie
- 252
- Dampfdichtung
- 254
- Schnittstelle
- 256
- Raddichtung
- 258
- Stromabwärts befindliche
Oberfläche
- 260
- Laufschaufeldichtung
- 262
- Äußerer Sammelraum
- 264
- Kühlfluiddurchgänge
- 266
- Ringförmiger Schlitz
- 268
- Äußere Oberfläche
- 270
- Erster
Abschnitt des äußeren Rings
- 272
- Kanal
- 274
- Zweiter
Abschnitt
- 276
- Innere
Oberfläche
des äußeren Rings
- 278
- Durchgangsmittellinie
des äußeren Rings
- 280
- Schaufelblattdurchgänge
- 282
- Durchgangsmittellinie
- 284
- Breitester
Abschnitt
- 286
- Einlass
- 288
- Auslässe des äußeren Rings
- 290
- Auslass