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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Die Offenbarung betrifft allgemein Dampfturbinen und insbesondere einen Strömungspfad für ein Außengehäuse einer Dampfturbine.
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Dampfturbinen sind häufig sehr groß und haben folglich eine große Materialmasse. Dampfturbinen arbeiten ferner unter hohen Temperaturen, die mehrere Herausforderungen schaffen. Eine Herausforderung ist es, die richtige Temperaturantwort von Teilen, wie beispielsweise eines Außengehäuses, sicherzustellen. Gewöhnlich sind Außengehäuse von Dampfturbinen nicht mit irgendeinem speziellen auf Temperatur ansprechenden System als demjenigen, um einige Dampfleckage- und spezielle Stufendampfbedingungen zu schaffen, versehen. Diese Temperaturantwort-Techniken nutzen jedoch Dampf höherer Temperatur. Eine Methode, um eine bessere Temperaturantwort zu erzielen, besteht darin, den Auslasskanal des Außengehäuses in der Mitte der unteren Hälfte des Außengehäuses zu positionieren. Bedauerlicherweise wirkt sich diese Konfiguration nicht auf den Bereich des Außengehäuses aus, der Spiele hervorruft.
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Eine weitere Herausforderung besteht darin, eine geeignete Größe eines Spiels zwischen einem Außen- und einem Innengehäuse zu schaffen, um einen Kontakt zwischen diesen zu vermeiden, der durch die unterschiedliche Wärmeausdehnung von Teilen von diesen hervorgerufen ist, wenn deren Temperaturen auf die hohen Betriebstemperaturen steigen. Die meisten Dampfturbinen bewältigen die unterschiedliche Wärmeausdehnung, indem sie einen hinreichenden Abstand zwischen Gehäuseteilen vorsehen, um jede Schlimmstfall-Situation zu handhaben. Diese letztere Methode erhöht jedoch die Maschinengröße und kann die Maschinenmaterialmasse vergrößern. Eine weitere Methode für das Spielproblem besteht darin, Heizmatten zu verwenden, um das Außengehäuse vor dem Anlauf auf Temperatur zu bringen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Ein erster Aspekt der Offenbarung ergibt eine Dampfturbine, die aufweist: einen Turbinenabschnitt, der einen Rotor enthält; ein Innengehäuse über der Turbine, wobei das Innengehäuse ein stromaufwärtiges Ende, ein stromabwärtiges Ende und einen an dem stromabwärtigen Ende positionierten Innengehäuseauslasskanal enthält, der Abdampf ermöglicht, aus dem Innengehäuse auszutreten; ein Außengehäuse über dem Innengehäuse, wobei das Außengehäuse einen Außengehäuseauslasskanal enthält, der benachbart zu dem stromaufwärtigen Ende des Innengehäuses positioniert ist; und einen Strömungspfad zwischen dem Innengehäuse und dem Außengehäuse, durch den der Abdampf von dem Innengehäuseauslasskanal zu dem Außengehäuseauslasskanal passiert.
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Ein zweiter Aspekt der Offenbarung ergibt eine Dampfturbine, die aufweist: einen Turbinenabschnitt, die einen Rotor enthält; ein Innengehäuse, das die Turbine umgibt, wobei das Innengehäuse ein stromaufwärtiges Ende, ein stromabwärtiges Ende und einen an dem stromabwärtigen Ende positionierten Innengehäuseauslasskanal enthält, der Abdampf ermöglicht, aus dem Innengehäuse auszutreten; ein Außengehäuse über dem Innengehäuse, wobei das Außengehäuse einen Außengehäuseauslasskanal enthält, der benachbart zu dem stromaufwärtigen Ende des Innengehäuses positioniert ist; einen Strömungspfad zwischen dem Innengehäuse und dem Außengehäuse, durch den der Abdampf von dem Innengehäuseauslasskanal zu dem Außengehäuseauslasskanal hindurchströmt; und eine Strömungsbarriere in dem Strömungspfad zwischen dem Innengehäuse und dem Außengehäuse, wobei ein Ende des Außengehäuses benachbart zu dem Innengehäuseauslasskanal eine Gestalt aufweist, die konfiguriert ist, um den Abdampf von dem Innengehäuseauslasskanal zu dem Strömungspfad zu lenken.
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Ein dritter Aspekt der Offenbarung ergibt eine Vorrichtung, die aufweist: eine bogenförmige Strömungsbarriere, die eine äußere Erstreckung, die zur Ankopplung an einen Innenabschnitt eines Außengehäuses einer Dampfturbine konfiguriert ist; und eine innere Erstreckung aufweist, die zur Kopplung mit einem Außenabschnitt eines Innengehäuses der Dampfturbine konfiguriert ist, wobei die bogenförmige Strömungsbarriere eine Dampfströmung in eine bestimmte Richtung zwischen dem Innengehäuse und dem Außengehäuse lenkt.
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Die anschaulichen Aspekte der vorliegenden Offenbarung sind dazu vorgesehen, die hierin beschriebenen Probleme und/oder andere nicht erläuterte Probleme zu lösen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese und weitere Merkmale dieses Offenbarungsgegenstandes werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung verschiedener Aspekte des Offenbarungsgegenstandes leichter verstanden, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen aufzufassen ist, die verschiedene Ausführungsformen des Offenbarungsgegenstandes zeigen, in denen:
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1 zeigt eine Längsschnittansicht einer Dampfturbine, die einen Strömungspfad gemäß Ausführungsformen der Erfindung enthält.
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2 zeigt eine Längsschnittansicht einer Dampfturbine, die einen Strömungspfad und eine Strömungsbarrierevorrichtung gemäß Ausführungsformen der Erfindung enthält.
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3 zeigt eine Querschnittsansicht einer Dampfturbine, die den Strömungspfad und die Strömungsbarrierevorrichtung gemäß Ausführungsformen der Erfindung enthält.
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4 zeigt eine Querschnittsansicht einer Dampfturbine, die den Strömungspfad und die Strömungsbarrierevorrichtung gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung enthält.
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Es wird bemerkt, dass die Zeichnungen der Offenbarung nicht maßstabsgetreu sind. Die Zeichnungen sollen lediglich typische Aspekte des Offenbarungsgegenstands darstellen und sollten folglich nicht in einem den Umfang der Offenbarung beschränkenden Sinne betrachtet werden. In den Zeichnungen kennzeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente unter den Zeichnungen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bezugnehmend auf die Zeichnungen zeigt 1 eine Längsschnittansicht einer Ausführungsform einer Dampfturbine 100. Die Dampfturbine 100 enthält einen Turbinenabschnitt 101, der einen Rotor 102 enthält, der eine umlaufende Welle 104 und mehrere axial beabstandete Laufräder 106 enthält. Verständlicherweise sind mehrere (nicht veranschaulichte) rotierende Laufschaufeln mit jedem Laufrad 106 innerhalb eines Innengehäuses 122 mechanisch gekoppelt. Insbesondere sind die Laufschaufeln in Reihen angeordnet, die sich längs des Umfangs rings um jedes Laufrad 106 erstrecken. Wie ferner verständlich, erstrecken sich mehrere (nicht veranschaulichte) stationäre Leitschaufeln längs des Umfangs rings um die Welle 104 innerhalb des Innengehäuses 122, wobei die Leitschaufeln axial zwischen benachbarten Reihen von Laufschaufeln positioniert sind. Die stationären Leitschaufeln wirken mit den Laufschaufeln zusammen, um eine Stufe zu bilden und um einen Abschnitt eines betrieblichen Dampfströmungspfades durch den Turbinenabschnitt 101 zu definieren. Im Betrieb tritt Dampf in einen Dampfeinlass 110 des Turbinenabschnitts 101 ein und wird durch die stationären Leitschaufeln geleitet. Wie veranschaulicht, ist der Dampfeinlass 110 zwischen einem stromaufwärtigen Ende 130 und einem stromabwärtigen Ende 132 des Innengehäuses 122 (und auch des Außengehäuses 120) positioniert, um Betriebsdampf zu dem Innengehäuse 122 zu liefern. Die Leitschaufeln lenken den Dampf stromabwärts gegen die Laufschaufeln. Der Dampf strömt durch die restlichen Stufen hindurch unter Ausübung einer Kraft auf die Laufschaufeln, die die umlaufende Welle 104 zum Rotieren veranlasst. Wenigstens ein Ende der Dampfturbine 100 kann sich von dem Rotor 102 axial weg erstrecken und kann an einer (nicht veranschaulichten) Last oder Maschinerie, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, einer dynamoelektrischen Maschine, beispielsweise einem Generator oder einem Motor, und/oder einer anderen Turbine angebracht sein.
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Die Dampfturbine 100 enthält ferner ein Außengehäuse 120, das sich um das Innengehäuse 122 herum erstreckt. Wie oben erwähnt, erstreckt, sich das Innengehäuse 122 um den Turbinenabschnitt 101 herum. Verständlicherweise kann jedes Gehäuse 120, 122 in Form von halbkreisförmigen Abschnitten ausgebildet sein, die entlang einer horizontalen Mittellinie miteinander verbunden sein können, wobei die oberen Hälften des äußeren und des inneren Gehäuses veranschaulicht sind. Das Innengehäuse 122 kann vordere und hintere Schalenabschnitte enthalten, die für eine radiale Kontraktion und Expansion relativ zu dem Außengehäuse 120 montiert sind. Wie vorstehend teilweise erwähnt, enthält das Innengehäuse 122 ein stromaufwärtiges Ende 130, ein stromabwärtiges Ende 132 und einen Innengehäuseauslasskanal 134. Der Innengehäuseauslasskanal 134 kann eine beliebige Öffnung an dem stromabwärtigen Ende 132 des Innengehäuses 122 sein, die Abdampf gestattet, aus dem Innengehäuse 122 auszutreten. Wie hierin verwendet, kennzeichnen „stromaufwärts” und „stromabwärts” Positionen relativ zu einer betrieblichen Dampfströmung durch den Turbinenabschnitt 101, die in den 1 und 2 von links nach recht verläuft.
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Im Unterschied zu herkömmlichen Dampfturbinen enthält das Außengehäuse 120 einen Außengehäuseauslasskanal 140, der benachbart zu dem stromaufwärtigen Ende 130 des Innengehäuses 122 positioniert ist. Herkömmlich sind die Außengehäuseauslasskanäle benachbart zu, das heißt unmittelbar stromabwärts oder radial außen von, dem Innengehäuseauslasskanal 134 positioniert. Eine Positionierung des Außengehäuseauslasskanals 140 benachbart zu dem stromaufwärtigen Ende 130 schafft einen Strömungspfad 144 zwischen dem Innengehäuse 122 und dem Außengehäuse 120, durch den der Abdampf in einer Richtung von dem Innengehäuseauslasskanal 134 zu dem Außengehäuseauslasskanal 140 passiert. Wie hierin verwendet, bedeutet „benachbart” nahe oder dicht bei dem stromaufwärtigen Ende 130, z. B. entweder stromaufwärts oder etwas stromabwärts von dem stromaufwärtigen Ende 130. Der Außengehäuseauslasskanal 140 kann sich radial außen relativ zu wenigstens einem Teil des stromaufwärtigen Endes 130 des Innengehäuses 122 befinden. In einer Ausführungsform weist ein zu dem Innengehäuseauslasskanal 134 benachbartes Ende 142 des Außengehäuses 120 eine Gestalt auf, die konfiguriert ist, um den Abdampf von dem Innengehäuseauslasskanal 134 zu dem Strömungspfad 144 umzulenken, z. B. gekrümmt, gekrümmt mit Leitschaufeln oder in sonstiger Weise strukturiert ist, um Dampf in Richtung auf den Strömungspfad 144 zu lenken.
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Die Richtung der Dampfströmung in dem Strömungspfad 144 ist stromaufwärts gerichtet im Vergleich zu der betrieblichen Dampfströmung in dem Turbinenabschnitt 101, das heißt im Wesentlichen von rechts nach links in den 1 und 2 – im Gegensatz zu der betrieblichen Dampfströmung in dem Turbinenabschnitt 101. Demgemäß strömt Abdampf in dem Strömungspfad 144 über einer Innenoberfläche 150 des Außengehäuses 120 und einer Außenfläche 152 des Innengehäuses 122, wobei er jedes Gehäuse kühlt. Insbesondere ermöglicht der Strömungspfad 144, dass eine Temperatur des Außengehäuses 120 und eine Temperatur des Innengehäuses 122 jeweils einer Temperatur des Rotors 102 folgen können. Wie hierin verwendet, bedeutet „folgen”, dass in dem Fall, dass die Rotortemperatur steigt, die Temperaturen des Außengehäuses und des Innengehäuses ebenfalls steigen, so dass die relative Bewegung zwischen dem Rotor und den Gehäusen minimiert ist. In ähnlicher Weise sinken die Temperaturen des Außen- und Innengehäuses, falls die Rotortemperatur sinkt. Vom technischen Standpunkt aus lässt die geringere Gehäusetemperatur, die sich ergibt, einen größeren Bereich von für das Außengehäuse 120 verwendbaren Materialien zu. Ausführungsformen der Erfindung sind ferner sehr leicht zu realisieren und erfordern keine zusätzlichen Teile, und ihr inhärentes Ausfallrisiko (ist gering). Ferner hat die Möglichkeit, Materialien geringerer Qualität zu verwenden, geringere Produktionskosten zur Folge. Eine Reduktion der Spiele verbessert die Gesamtleistung der Dampfturbine 100.
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Bezugnehmend auf die 2–4 ist in einer optionalen Ausführungsform eine Strömungsbarriere 160, 260 in dem Strömungspfad 144 zwischen dem Innengehäuse 122 und dem Außengehäuse 120 positioniert. Die Strömungsbarriere 160, 260 kann eine beliebige Gestalt aufweisen, die ausreicht, um eine Dampfströmung in eine bestimmte Richtung zwischen dem Innengehäuse 122 und dem Außengehäuse 120 zu lenken, wobei sie im Allgemeinen bogenförmig ist, wie dies in den 3 und 4 veranschaulicht ist, die Querschnittsansichten entlang der Linie A-A in 2 zeigen. Die Strömungsbarriere 160, 260 kann aus jedem beliebigen heutzutage bekannten oder künftig entwickelten Material, das in der Lage ist, den Umgebungsbedingungen einer Dampfturbine 100 standzuhalten, z. B. Stahl, hergestellt sein. Wie am besten in 2 zu beobachten, lenkt die Strömungsbarriere 160, 260 Abdampf in Richtung auf einen unteren Teil 164 des Strömungspfads 144 zwischen dem Innengehäuse 122 und dem Außengehäuse 120 um. Die aktive Kühlung des Außengehäuses 120 reduziert die axialen Spiele, die zwischen stationären und umlaufenden Teilen benötigt werden, was das Leistungsverhalten verbessert. Wie veranschaulicht, ist die Strömungsbarriere 160, 260 in einer Ausführungsform unmittelbar stromabwärts, das heißt unter Verwendung der Richtung der betrieblichen Fluidströmung in dem Turbinenabschnitt 101, von dem Außengehäuseauslasskanal 140 angeordnet. Jedoch kann diese Position gegebenenfalls nicht in allen Fällen erforderlich sein. In einer Ausführungsform enthält die Strömungsbarriere 160, 260 eine bogenförmige Trennwand, die sich über ungefähr 160° bis ungefähr 220° in Umfangsrichtung zwischen dem Innengehäuse 122 und dem Außengehäuse 120 erstreckt, wobei sich die Trennwand 160, 260 in einer speziellen Ausführungsform über ungefähr 200° in Umfangsrichtung zwischen den Gehäusen erstreckt (wie mittels gestrichelter Linien in den 3 und 4 veranschaulicht).
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Wie in den 3 und 4 veranschaulicht, enthält die bogenförmige Strömungsbarriere 160, 260 eine äußere Erstreckung 170, die zur Kopplung mit einem Innenabschnitt 172 (z. B. der Oberfläche 150 (2) oder einer anderen inneren Struktur) des Außengehäuses 120 konfiguriert ist, und eine innere Erstreckung 174, die zur Kopplung mit einem Außenabschnitt 176 (z. B. der Oberfläche 152 (2) oder einer anderen äußeren Struktur) des Innengehäuses 122 konfiguriert ist. Folglich weist die bogenförmige Strömungsbarriere 160, 260 eine radiale Länge L (nur 3) auf, die ungefähr mit einem Zwischenraum zwischen dem Innenabschnitt 172 des Außengehäuses 120 und dem Außenabschnitt 176 des Innengehäuses 122 übereinstimmt. Es können beliebige heutzutage bekannte oder künftig entwickelte Methoden zur Ankopplung von Teilen innerhalb einer Dampfturbine 100 und zur Zulassung einer geeigneten Wärmeausdehnung (z. B. mechanische Kupplungen, Verschweißungen, Gleitverbindungen, etc., verwendet werden. In 3 ist die Strömungsbarriere 160 mit dem Innengehäuse 122 unter Verwendung der vorerwähnten Techniken gekoppelt. In einer alternativen Ausführungsform, die in 4 veranschaulicht ist, ist die Strömungsbarriere 260 mit dem Innengehäuse 122 integral, das heißt sie ist als ein Teil des Innengehäuses 122 geformt.
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Die hierin verwendete Terminologie dient lediglich dem Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und soll nicht für die Offenbarung beschränkend sein. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen „ein”, „eine” und „der”, „die”, „das” auch die Pluralformen umfassen, sofern aus dem Zusammenhang nicht deutlich das Gegenteil hervorgeht. Es wird ferner verstanden, dass die Ausdrücke „aufweist” und/oder „aufweisend”, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten spezifizieren, jedoch die Gegenwart oder Hinzunahme einer/eines oder mehrerer weiterer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder deren Gruppen nicht ausschließen.
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Die zugehörigen Strukturen, Materialien, Handlungen und Äquivalente aller Mittel oder Schritt-Plus-Funktion-Elemente in den nachstehenden Ansprüchen sollen eine beliebige Struktur, ein beliebiges Material oder eine beliebige Handlung zur Erzielung der Funktion in Kombination mit anderen beanspruchten Elementen, wie speziell beansprucht, umfassen. Die Beschreibung des vorliegenden Offenbarungsgegenstands wird für die Zwecke der Veranschaulichung und Beschreibung dargeboten, ist jedoch nicht dazu vorgesehen, erschöpfend oder auf die Offenbarung in der offenbarten Form beschränkt zu sein. Es werden sich viele Modifikationen und Veränderungen einem Fachmann auf dem Gebiet erschließen, ohne von dem Umfang und Rahmen der Offenbarung abzuweichen. Die Ausführungsform wurde gewählt und beschrieben, um die Prinzipien des Offenbarungsgegenstandes und die praktische Anwendung am besten zu erläutern und um anderen Fachleuten auf dem Gebiet zu ermöglichen, die Offenbarung für verschiedene Ausführungsformen mit verschiedenen Modifikationen, wie sie für den speziellen vorgesehenen Einsatz geeignet sind, zu verstehen.
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Eine Dampfturbine 100 kann einen Turbinenabschnitt 101 enthalten, der einen Rotor 102 enthält. Ein Innengehäuse 122 ist an der Turbine 100 vorgesehen, wobei das Innengehäuse 122 ein stromaufwärtiges Ende 130, ein stromabwärtiges Ende 132 und einen an dem stromabwärtigen Ende 132 positionierten Innengehäuseauslasskanal 134 enthält, der Abdampf ermöglicht, aus dem Innengehäuse 122 auszutreten. Ein Außengehäuse 120 ist über dem Innengehäuse 122 vorgesehen, wobei das Außengehäuse 120 ein stromaufwärtiges Ende 130, ein stromabwärtiges Ende 132 und einen Außengehäuseauslasskanal 140 enthält, der an dem stromaufwärtigen Ende 130 des Außengehäuses 120 positioniert ist. Zwischen dem Innengehäuse 122 und dem Außengehäuse 120 erstreckt sich ein Strömungspfad 144, durch den der Abdampf in einer stromaufwärtigen Richtung von dem Innengehäuseauslasskanal 134 zu dem Außengehäuseauslasskanal 140 passiert. Es kann eine Strömungsbarriere 160, 260 in dem Strömungspfad 144 zwischen dem Innengehäuse 122 und dem Außengehäuse 120 vorgesehen sein.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Dampfturbine
- 101
- Turbinenabschnitt
- 102
- Rotor
- 104
- umlaufende Welle
- 106
- Laufräder
- 122
- Innengehäuse
- 110
- Dampfeinlass
- 130
- stromaufwärtiges Ende
- 132
- stromabwärtiges Ende
- 120
- Außengehäuse
- 134
- Innengehäuseauslasskanal
- 140
- Außengehäuseauslasskanal
- 144
- Strömungspfad
- 142
- Ende
- 150
- Innenfläche
- 152
- Außenfläche
- 160, 260
- Strömungsbarriere
- 164
- unterer Teil
- 172
- innerer Abschnitt
- 174
- innere Erstreckung
- 176
- äußerer Abschnitt
