DE102009003484A1

DE102009003484A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen von drehenden Komponeten in einer Dampfturbine

Info

Publication number: DE102009003484A1
Application number: DE102009003484A
Authority: DE
Inventors: Mark Bowen; Stephen Roger Swan; Michael Earl Montgomery
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-02-14
Filing date: 2009-02-13
Publication date: 2009-08-27
Also published as: RU2511914C2; DE102009003452A1; FR2927653A1; US8257015B2; RU2009105074A; US20090208323A1; JP5692966B2; JP2009191848A

Abstract

Es wird eine ringförmige stationäre Komponente zur Anwendung bei einer Dampfturbine (100) bereitgestellt. Die stationäre Komponente enthält einen ersten Ring (228) mit einem darin definierten ersten Sammelraum (262), einen zweiten Ring (226) mit einem zweiten Sammelraum (242) und wenigstens einem darin definierten Auslass (244), wobei der zweite Sammelraum mit dem wenigstens einem Auslass in Strömungsverbindung gekoppelt ist, wobei sich der zweite Ring radial innerhalb des ersten Rings befindet, und wenigstens ein Schaufelblatt (212), das sich zwischen dem ersten Ring und dem zweiten Ring erstreckt, wobei das wenigstens eine Schaufelblatt einen Durchgang enthält, der sich dadurch hindurch von einem ersten Ende des Schaufelblattes zu einem zweiten Ende des Schaufelblattes erstreckt, wobei der Schaufelblattdurchgang (280) mit dem ersten Sammelraum und dem zweiten Sammelraum in Strömungsverbindung steht.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft allgemein die Kühlung einer Rotationskomponente und insbesondere die Kühlung eines Radraums in einer Stufe einer Dampfturbine.
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.
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.
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.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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.
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.
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.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht einer exemplarischen Dampfturbinenmaschine.
2 ist eine Querschnittsansicht einer exemplarischen ersten Turbinenstufe, die bei der in 1 dargestellten Dampfturbine verwendet werden kann.
3 ist eine perspektivische Ansicht einer exemplarischen stationären Komponente, die bei der in 2 dargestellten Turbinendüse verwendet werden kann.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

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

Claims

Ringförmige stationäre Komponente zur Verwendung bei einer Dampfturbine (100), wobei die stationäre Komponente aufweist: einen ersten Ring (228) mit einem darin definierten ersten Sammelraum (262); einen zweiten Ring (226) mit einem zweiten Sammelraum (242) und wenigstens einem darin definierten Auslass (244), wobei der zweite Sammelraum mit dem wenigstens einem Auslass in Strömungsverbindung steht, wobei sich der zweite Ring radial innerhalb des ersten Rings befindet; und wenigstens ein Schaufelblatt (212), das sich zwischen dem ersten Ring und dem zweiten Ring erstreckt, wobei das wenigstens eine Schaufelblatt einen Durchgang aufweist, der sich durch es hindurch von einem ersten Ende des Schaufelblattes zu einem zweiten Ende des Schaufelblattes erstreckt, wobei der Schaufelblattdurchgang (280) mit dem ersten Sammelraum und dem zweiten Sammelraum in Strömungsverbindung steht.
Stationäre Komponente nach Anspruch 1, wobei der erste Sammelraum (262) in einer radial äußeren Oberfläche (268) des ersten Rings definiert ist, und der zweite Sammelraum (242) in einer radial äußeren Oberfläche (248) des zweiten Rings definiert ist.
Stationäre Komponente nach Anspruch 1, wobei der erste Ring (228) ferner mehrere sich aus dem ersten Sammelraum (262) zu einer radial inneren Oberfläche (276) des ersten Rings erstreckende Öffnungen (264) aufweist.
Stationäre Komponente nach Anspruch 3, wobei jede von den mehreren Öffnungen (264) mit einem entsprechenden Schaufelblattdurchgang (280) in Strömungsverbindung steht.
Stationäre Komponente nach Anspruch 1, wobei der wenigstens eine Auslass (244) dafür eingerichtet ist, ein Kühlfluid (236) in einen Radraum (216) stromabwärts von der stationären Komponente auszugeben.
Stationäre Komponente nach Anspruch 1, wobei der zweite Ring (226) mehrere dadurch hindurch definierte Auslässe (244) aufweist, wobei die Anzahl der Auslässe der Anzahl der Schaufelblätter (212) entspricht, die sich zwischen dem ersten Ring (228) und dem zweiten Ring erstrecken.
Dampfturbine (100), aufweisend: eine Rotorwelle (140) mit mehreren damit gekoppelten Laufschaufeln (202); eine stationäre Komponente, die mit einem Dampfturbinengehäuse gekoppelt ist, wobei die stationäre Komponente stromaufwärts von den mehreren Laufschaufeln so gekoppelt ist, dass ein Radraum (216) zwischen den mehreren Laufschaufeln und der stationären Komponente definiert ist, wobei die stationäre Komponente aufweist: einen ersten Ring (228), der mit der Dampfturbine gekoppelt ist; einen zweiten Ring (226), der mit der Dampfturbine radial innerhalb des ersten Rings gekoppelt ist; und wenigstens ein Schaufelblatt (212), das sich zwischen dem ersten Ring und dem zweiten Ring erstreckt; und einen Kühlfluidströmungspfad, der durch wenigstens den ersten Ring, das wenigstens eine Schaufelblatt und den zweiten Ring definiert ist, wobei der Kühlfluidströmungspfad dafür eingerichtet ist, ein Kühlfluid (236) in den Radraum zu leiten.
Dampfturbine (100) nach Anspruch 7, wobei der erste Ring (228) einen darin definierten ersten Sammelraum (262) aufweist, wobei der Kühlfluidströmungspfad (264) den ersten Sammelraum mit umfasst.
Dampfturbine (100) nach Anspruch 8, wobei der erste Ring (228) ferner wenigstens eine Öffnung (264) aufweist, die sich von dem ersten Sammelraum (262) zu einer radial inneren Oberfläche (276) des ersten Rings erstreckt.
Dampfturbine (100) nach Anspruch 8, wobei der erste Ring (228) eine Dichtung (252) aufweist, die zwischen dem ersten Sammelraum (262) und einem Hauptströmungspfad (214) gekoppelt ist, wobei der Hauptströmungspfad durch die mehreren Laufschaufeln (202) und die stationäre Komponente hindurch definiert ist.