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Die Erfindung betrifft eine Dampfturbine mit einem Axialschaubausgleich nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1.
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Bei Dampfturbinen, insbesondere bei einflutig durchströmten Dampfturbinen, treten im Betrieb hohe Axialschubkräfte auf. Um den Axialschub der Beschaufelung nicht vollständig mit dem Axiallager ausgleichen zu müssen, wird häufig ein Schubausgleichskolben in Dampfturbinen eingesetzt. Dampf mit hohen Dampfparametern (Druck und Temperatur), in der Regel ein Teil des Frischdampfes, wird über die Kolbenumfangsfläche des Schubausgleichskolbens entspannt und verlässt den Axialschubausgleich als so genannter Kolbendampf. Der Kolbendampf besitzt dabei noch einen hohen Druck und damit ein hohes Arbeitsvermögen, welches bislang jedoch ungenutzt in die Umgebung abgeführt wird. Das Einleiten des Kolbendampfes in eine Turbinenstufe der Dampfturbine ist problematisch, da der Kolbendampf eine sehr hohe Temperatur aufweist, die deutlich höher ist, als die Temperatur des Hauptdampfstroms in der Turbinenstufe. Hierdurch kommt es zu einer örtlichen hohen Erwärmung der Gehäuse- bzw. Turbinenbaugruppe und damit zu Verformungen in diesen Bereichen und nachfolgend zu Kreuzteilfugenundichtigkeiten. Außerdem kommt es aufgrund der Aufheizung der Anzapfkammer zur Verformungen des Gehäuses. Darüber hinaus bereitet das Einleiten des Kolbendampfes insbesondere im Teillastbetrieb oder bei hohen Dampfentnahmen Probleme, da der Hauptdampfstrom in diesen Fällen nicht ausreicht, um den heißen Kolbendampf entsprechend abzukühlen.
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Ausgehend von den zuvor beschriebenen Problemen ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Dampfturbine bereitzustellen, bei der der Kolbendampf zur Verrichtung von Arbeit genutzt werden kann und so der Wirkungsgrad der Dampfturbine gesteigert werden kann.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung, die einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Dampfturbine mit einem Axialschubausgleich, umfassend zumindest einen mit Kolbendampf beaufschlagbaren Schubausgleichskolben, zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest eine Turbinenstufe der Dampfturbine, insbesondere die Niederdruckstufe eine Vorrichtung zum Eindüsen des den Schubausgleichskolben verlassenden Kolbendampfs aufweist. Durch das Eindüsen des Kolbendampfes in die Turbinenstufe ergibt sich eine rasche und gute Vermischung des Kolbendampfes mit dem Hauptdampfstrom, wodurch ein schneller Temperaturausgleich zwischen Hauptdampf und Kolbendampf erzielt wird. Hierdurch kommt es nicht zu einer örtlichen Erwärmung von Bauteilen, die zu einer Verformung und damit zu Undichtigkeiten, insbesondere im Bereich der Kreuzfugenteilflächen, führen. Der heiße Kolbendampf erhöht die Enthalpie des gesamten Dampfstromes und ermöglicht somit eine zusätzliche Arbeitsleistung des Dampfes. Hierdurch wird der Wirkungsgrad der Dampfturbine erhöht.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Dampfturbine sieht vor, dass die Vorrichtung zum Eindüsen des Kolbendampfes als Ringkanal ausgebildet ist und der Ringkanal radial über sein Umfang verteilte Düsen aufweist, über die der Kolbendampf radial über den Umfang der Turbinenstufe in die Turbinenstufe eingedüst werden kann. Durch die radial über den Umfang m verteilten Düsen, ergibt sich eine besonders gute und gleichmäßige Vermischung des Kolbendampfes mit dem Hauptdampf und damit eine sehr homogene Durchmischung. Hierdurch wird eine örtliche Erwärmung aufgrund des heißen Kolbendampfes wirkungsvoll vermieden. Der Ringkanal kann dabei so ausgebildet sein, dass der Kolbendampf durch die Düsen direkt in radialer Richtung oder schräg, das heißt mit einer Geschwindigkeitskomponente in Hauptströmungsrichtung eingedüst werden kann. Durch die radiale Eindüsung kommt es zu einer stärkeren Verwirbelung der Strömung und damit zu einer besseren Vermischung, allerdings geht hierdurch auch Strömungsenergie verloren.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Dampfturbine ein Bypass-Ventil umfasst, über den der Kolbendampf in eine Abdampfleitung der Dampfturbine ableitbar ist. Hierdurch kann der Kolbendampf je nach Betriebszustand entweder zur zusätzlichen Energiebereitstellung dienen oder unmittelbar in die Abdampfleitung der Dampfturbine abgeführt werden. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn das Bypass-Ventil last- oder temperaturabhängig regelbar ist. In diesem Fall kann bei einer zu hohen Temperatur oder einem zu geringen Hauptmassenstrom der Kolbendampf teilweise oder vollständig in die Abdampfleitung abgeleitet werden, um so eine Verformung von Turbinenbauteilen aufgrund zu starker Temperaturerhöhung zu vermeiden. Insbesondere in Teillastbetrieb oder bei großen Dampfentnahmen kann der Hauptdampf möglicherweise nicht zur Kühlung des heißen Kolbendampfes ausreichen, wodurch dann Schäden an der Dampfturbine, insbesondere in Folge von Verformungen von Gehäusebauteilen auftreten können. Durch die last- und/oder temperaturabhängige Regelung können solche Schäden auf einfache Weise vermieden werden. Das Bypass-Ventil kann entweder als einfaches 2/2-Wegeventil oder aber auch als stufenlos regelbares Ventil ausgebildet werden. Der anlagentechnische Aufwand für eine solche erfindungsgemäße Dampfturbine ist vergleichsweise gering und macht erstmals die Nutzung des Kolbendampfes möglich. Hierdurch wird eine Wirkungsgradsteigerung der Dampfturbine auf einfache Weise ermöglicht.
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Nachfolgend wird anhand eines Ausführungsbeispiels die Erfindung sowie weitere Vorteile der Erfindung näher erläutert.
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Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer erfin dungsgemäßen Dampfturbine;
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2 eine Detailansicht eines Ringkanals der erfin dungsgemäßen Dampfturbine aus 1.
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Bei den Figuren handelt es sich um schematische Darstellungen, bei denen jeweils nur die für die Erfindung notwendigen Bauteile dargestellt sind. Insbesondere wird der Schubausgleich, welcher bereits Stand der Technik ist, nicht dargestellt. Gleiche Bauteile werden figurübergreifend mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt die Niederdruckturbinenstufe 2 einer erfindungsgemäßen Dampfturbine 1. 1 zeigt die Niederdruckturbinenstufe 2 einer erfindungsgemäßen Dampfturbine 1 im Axialschnitt. Die Dampfturbine 1 weist einen nicht näher dargestellten Axialschubausgleich auf. Der Axialschubausgleich umfasst wenigstens einen Schubausgleichskolben, auf dessen Kolbenumfangsfläche Frischdampf mit hohen Dampfparametern (Temperatur und Druck) aufgeleitet wird. Der Schubausgleichskolben wirkt dem Axialschub der Beschaufelung entgegen, wodurch das Axiallager der Dampfturbine 1 deutlich kleiner ausgelegt werden kann. Der Frischdampf verlässt den Schubausgleichskolben als sogenannter Kolbendampf KD und gelangt anschließend zu einem Bypass-Ventil 5. Das Bypass-Ventil 5 ist als 2/2-Wegeventil ausgeführt und last- und/oder temperaturabhängig regelbar. Für die Bypass-Regelung kann entweder der Hauptdampfstrom durch die Niederdruckturbinenstufe 2 oder die Temperatur vorzugsweise an den Turbinenschaufeln 7 der Niederdruckturbinenstufe 2 gemessen werden. Durch die Bypass-Regelung mittels des Bypass-Ventils 5, soll vermieden werden, dass es zu einer lokalen Temperaturerhöhung in der Niederdruckturbinenstufe 2 kommt, wodurch es zu Verformungen und Undichtigkeiten insbesondere im Bereich der Kreuzfugendichtungen kommen kann. Um lokale Temperaturerhöhungen zu vermeiden, ist die Vorrichtung 3 zum Eindüsen des Kolbendampfes KD als Ringkanal ausgebildet, wobei sich der Ringkanal radial über den Umfang der Niederdruckturbinenstufe 2 erstreckt. Innerhalb des Ringkanals sind vorzugsweise im gleichmäßigen Abstand Düsen 4 eingebracht, die es erlauben, den Kolbendampf KD in die Niederdruckturbinenstufe 2 einzudüsen. Durch die radial über den Umfang verteilte Eindüsung des Kolbendampfes KD ergibt sich eine sehr gute und gleichmäßige Vermischung des Kolbendampfes KD mit dem Hauptdampfstrom. Hierdurch wird ein sehr schneller Temperaturausgleich geschaffen und Temperaturspitzen werden vermieden. Durch die Eindüsung des Kolbendampfes KD kann die im Kolbendampf KD enthaltene Enthalpie genutzt werden, um in der Niederdruckturbinenstufe 2 Arbeit zu verrichten.
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Da im Falle einer hohen Dampfentnahme oder im Teillastbetrieb möglicherweise der Hauptdampfstrom nicht ausreicht, um den Kolbendampf KD hinreichend abzukühlen, ist eine Bypass-Regelung mit dem Bypass-Ventil 5 vorgesehen. Für die Bypass-Regelung werden der Hauptdampfstrom und/oder die Temperatur im Einströmbereich beispielsweise an den Turbinenschaufeln 7 der Niederdruckstufe gemessen. Unterschreitet der Massenstrom des Hauptdampfes einen bestimmten vorgegebenen Wert oder übersteigt die Temperatur an einer vorgegebenen Messstelle eine vorgegebene Grenztemperatur, schaltet das Bypass-Ventil 5 und der Kolbendampf KD gelangt unmittelbar in die Abdampfleitung 6 und passiert dadurch nicht die Niederdruckturbinenstufe 2. Hierdurch werden Schäden an der Niederdruckturbinenstufe 2 sowie Undichtigkeiten im Bereich der Kreuzteilfuge wirkungsvoll vermieden. Im Ausführungsbeispiel ist die Bypass-Regelung mit Hilfe eines 2/2-Wegeventiles ausgeführt. Grundsätzlich kann aber auch ein stufenlos regelbares Ventil vorgesehen werden.
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2 zeigt eine Detailansicht eines Ringkanals zum Eindüsen des Kolbendampfes KD. Der Kolbendampf KD gelangt über mehrere Einlässe 8 in den Ringkanal und verteilt sich gleichmäßig innerhalb dessen. Anschließend strömt der Kolbendampf KD durch die Düsen 4 in die Niederdruckturbinestufe. Der Ringkanal ist dabei vorzugsweise am Anfang der Turbinenstufe 2 angeordnet. Durch die gleichmäßige radiale Verteilung der Düsen 4 über den Umfang des Ringkanals wird eine sehr homogene Eindüsung des Kolbendampfes KD in die Niederdruckturbinenstufe 2 gewährleistet.
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Der konstruktive Aufwand für die erfindungsgemäße Dampfturbine mit Eindüsung des Kolbendampfes KD in die Turbinenstufe 2 ist gering und mit niedrigen Kosten verbunden. Gleichzeitig kann mit der erfindungsgemäßen Dampfturbine 1 der Wirkungsgrad gesteigert werden und der ansonsten ungenutzte Kolbendampf KD zur Energiebereitstellung genutzt werden.
