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Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für einen Turbosatz, einen Turbosatz sowie eine Niederdruckdampfturbinenanlage mit einem Turbosatz.
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Ein Betriebsverfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Turbosatz gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 6 sind aus
DE 10 2014 216 755 A1 bekannt.
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Zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie werden in der Kraftwerkstechnik sogenannte Turbosätze, d.h. eine Kombination von zumindest einer Turbine und zumindest einem Generator, verwendet. Die Turbine wandelt die ihr zugeführte thermische Energie in mechanische Energie um. Die mechanische Energie wird von der Turbine auf den Generator übertragen. Der Generator wandelt die mechanische Energie in elektrische Energie um.
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Generatoren haben einen kleineren Wirkungsgrad als 1 (d.h. < 100%). Ein Teil der zugeführten mechanischen Energie kann nicht in elektrischen Strom umgewandelt werden, sondern wird wieder in thermische Energie umgesetzt, d.h. es tritt eine Verlustleistung in Form von Wärme auf. Die Generatorverluste betragen in der Regel wenige Prozent (ca. 0,5% bis 5%) und gehen dem Gesamtprozess als Abwärme verloren. Selbst bei kleineren Generatoren mit einer Nennleistung von beispielsweise einigen hundert Kilowatt ergibt sich dadurch eine nicht unerhebliche thermische Verlustleistung, die den Generator erwärmt.
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In einem Generator befindet sich ein sogenanntes Wicklungspaket (typischerweise umfassend ein Blechpaket und Wicklungen), das in der Regel mit einem Isolationsmaterial (z.B. Epoxid-Harz) beschichtet oder vergossen ist.
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Dieses Isolationsmaterial hat eine thermische Einsatzgrenze, die bei üblichen Isolationsklassen beispielsweise bei maximal 155°C (Isolationsklasse F) oder bei maximal 180°C (Isolationsklasse H) liegt. Aus Sicherheits- und Lebensdauergründen darf diese Temperatur im Betrieb nicht erreicht oder überschritten werden. Daher werden die Temperaturen in den Wicklungen in der Regel mit einem oder mehreren Thermoelementen überwacht und der Generator wird bei Erreichen einer entsprechend hohen Temperatur (z.B. bei 130 °C bei Isolationsklasse F oder bei 155°C bei Isolationsklasse H) abgeschaltet.
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Um eine Überhitzung und damit ein unerwünschtes Zwangsabschalten des Generators zu verhindern, muss dieser folglich permanent und zuverlässig gekühlt werden. Bei herkömmlichen Anlagen kommen unter anderem Kühlsysteme auf Basis von Luft-, Wasser-, Wasser/Glykol- sowie Wasserstoff als Kühlmedium zum Einsatz. Diesen Kühlsystemen ist gemeinsam, dass das jeweilige Kühlmedium (z.B. Luft, Wasser, Wasser/Glykol, Wasserstoff) mit einem geeigneten Fördermittel (Lüfter, Pumpe) zum Generator hin und wieder vom Generator weg gefördert werden muss. Der Generator muss für das jeweilig zum Einsatz kommende Kühlmedium mit entsprechenden Anschlüssen, Wärmetauschern bzw. Oberflächen versehen sein. Des Weiteren muss die Gesamtanlage mit einem Rückkühlwerk für das im Generator aufgewärmte Kühlmedium sowie mit einer messtechnischen Kühlkreislaufüberwachung ausgestattet sein. Solche Kühlsysteme bedingen mithin einen erheblichen apparativen Aufwand, der mit entsprechenden Kosten verbunden ist. Zudem muss für die Durchführung der Kühlung Energie aufgewandt werden.
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Aus der
EP 3 141 710 A1 ist eine Vorrichtung bekannt geworden, die eine Expansionsmaschine zum Erzeugen von mechanischer Energie durch Expandieren von Dampf eines Arbeitsmediums und einen mit einer Welle der Expansionsmaschine verbundenen Generator zum Erzeugen von elektrischer Energie aus mechanischer Energie der Expansionsmaschine umfasst. Die Expansionsmaschine und der Generator bilden eine bauliche Einheit mit einem Abdampfraum zwischen der Expansionsmaschine und dem Generator, wobei im Betrieb der Expansionsmaschine in den Abdampfraum expandiertes Arbeitsmedium den Generator kontaktiert. Die Vorrichtung umfasst weiterhin Mittel zum Zuführen, insbesondere zum Einspritzen, von Arbeitsmedium in den Abdampfraum. Im Betrieb der Vorrichtung wird mit diesen Mitteln Arbeitsmedium in den Abdampfraum zum Kühlen des expandierten Dampfes zugeführt. Durch das Zuführen des Arbeitsmediums in den Abdampfraum wird die Temperatur im entspannten Medium gesenkt, do dass die Expansionsmaschine für höhere Dampfeintrittstemperaturen (z. B. größer als 130°C) angewendet werden kann. Mittels des durch die Zufuhr von Arbeitsmedium gekühlten, entspannten Mediums wird der Generator gekühlt und vor Überhitzung geschützt.
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Aus
DE 697 11 728 T2 ist ein hydraulischer Turbinen-Stromgenerator bekannt geworden, aufweisend eine einzelne Wellenanordnung, um ein hydraulisches Turbinenmittel und einen elektrischen Stromgenerator anzubringen, und ein gemeinsames Gehäusemittel für die hydraulische Turbine und den Stromgenerator.
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Die eingangs genannte
DE 10 2014 216 755 A1 beschreibt ein Verfahren zur Stromerzeugung innerhalb eines Gasnetzes mit erdverlegten Gasleitungen unter Ausnutzung einer Gasentspannung von einem ersten höheren Gasdruckniveau auf ein zweites niedrigeres Gasdruckniveau unter Verwendung wenigstens einer Expansionsmaschine und unter Verwendung wenigstens eines von der Strömungsmaschine angetriebenen Generators. Die Expansionsmaschine kann als Axialturbine ausgebildet sein, wobei der Generator stromaufwärts der Expansionsturbine „schwebend“ in einem Turbinengehäuse angeordnet sein kann.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Betriebsverfahren für einen Turbosatz anzugeben, bei dem ein Generator des Turbosatzes zuverlässig und energieeffizient gekühlt wird. Weiter liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Turbosatz anzugeben, der eine zuverlässige und energieeffiziente Kühlung eines Generators des Turbosatzes ermöglicht. Schließlich ist es Aufgabe der Erfindung eine Dampfturbinenanlage anzugeben, die eine zuverlässige und energieeffiziente Kühlung eines Generators der Niederdruckdampfturbinenanlage und einen sicheren Betrieb ermöglicht.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Verfahren gemäß Anspruch 1, einen Turbosatz gemäß Anspruch 7 und eine Niederdruckdampfturbinenanlage gemäß Anspruch 16. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen an.
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Erfindungsgemäße Betriebsverfahren
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Erfindungsgemäß ist ein Betriebsverfahren für einen Turbosatz vorgesehen. Der Turbosatz weist eine Turbine und einen Generator auf. Der Generator ist innerhalb einer Zuleitung zu der Turbine angeordnet. Das Betriebsverfahren umfasst die Schritte
- b) Einleiten eines Fluids in die Zuleitung,
- c) Vorbeiführen des Fluids an dem Generator,
- d) Antreiben der Turbine mittels des Fluids.
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Eine Strömung des Fluids ist erfindungsgemäß von dem Generator zu der Turbine gerichtet. Der Generator ist mit anderen Worten stromaufwärts der Turbine in der Zuleitung angeordnet. Das Fluid strömt zunächst an dem Generator vorbei; sodann treibt das Fluid die Turbine an. Vorzugsweise verläuft die Strömung von dem Generator zu der Turbine geradlinig.
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Durch dieses Verfahren wird eine inhärente Generatorkühlung erreicht - sie bedingt sich selbst. Wenn eine Kühlung erforderlich ist, ist diese prozessbedingt auch vorhanden. Eine Generatorkühlung ist dann erforderlich, wenn der Generator mechanische Energie verlustbehaftet in elektrische Energie umwandelt. Dazu bedarf es der Bereitstellung mechanischer Energie in Form einer Drehbewegung einer Welle durch die Turbine, die dafür wiederum von dem Fluid durchströmt werden muss. Dieses Fluid stellt zugleich die Wärmeabfuhr des Generators sicher. Auf zusätzliche Einrichtungen zur Kühlung des Generators kann verzichtet werden. Mithin entsteht auch kein Energiebedarf für den Betrieb solcher Kühleinrichtungen.
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Durch die Wärmeaufnahme wird der Energiegehalt des Fluids erhöht, was sich in einer Enthalpieerhöhung niederschlägt. Folglich wird der nachgeschalteten Turbine ein Fluid mit einer höheren Enthalpie zugeführt. Indem die Verlustwärme des Generators von dem Fluid aufgenommen wird, kann sie an der Turbine zur Erzeugung mechanischer Energie nutzbar gemacht werden. Dadurch kann ein insgesamt höherer Wirkungsgrad beim Betrieb des Turbosatzes erreicht werden.
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Erfindungsgemäß liegt ein Druck in der Zuleitung und in der Turbine unter dem Umgebungsdruck, insbesondere bei 0,3 bis 0,7 bar. Dies erhöht die inhärente Sicherheit des Betriebsverfahrens. Ein Austritt des Fluids in die Umgebung ist nicht möglich. Im Falle eines mechanischen Schadens an einem Leitungssystem des Turbosatzes kann allenfalls Umgebungsluft in dieses einströmen. Dadurch kann der Turbosatz einfacher aufgebaut werden. Insbesondere kann auf Sicherheitseinrichtungen wie beispielsweise Schnellschlussklappen oder Schnellschlussventile verzichtet werden. Der Druck liegt bei dieser Verfahrensvariante grundsätzlich überall in der Zuleitung und stromaufwärts eines Turbinenrades der Turbine unter dem Umgebungsdruck und vorzugsweise in dem genannten Wertebereich von 0,3 bis 0,7 bar. Nach dem Entspannen des Fluids in der Turbine liegt der Druck vorzugsweise bei 0,05 bis 0,2 bar.
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Die erfindungsgemäßen Betriebsverfahren werden vorzugsweise an einem unten beschriebenen, erfindungsgemäßen Turbosatz oder einer unten beschriebenen erfindungsgemäßen Niederdruckdampfturbinenanlage durchgeführt.
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Das Fluid kann gasförmig sein. Vorzugsweise ist das Fluid ein Dampf, insbesondere Nassdampf oder Sattdampf. Handelt es sich bei dem Fluid um Heißdampf (überhitzter Dampf) wird durch die Enthalpieerhöhung die Dampftemperatur gesteigert. Handelt es sich bei dem Fluid um Sattdampf wird durch die Enthalpieerhöhung die Dampftemperatur gesteigert und der Dampf geringfügig überhitzt. Handelt es sich bei dem Fluid um Nassdampf wird durch die Enthalpieerhöhung der Dampfgehalt erhöht bzw. die Dampfnässe reduziert (Dampftrocknung). Durch die im Nassdampf enthaltenen flüssigen Bestandteile (Nebel bzw. Tröpfchen) ist das Kühlvermögen von Nassdampf besonders hoch. Die flüssigen Bestandteile können durch Verdampfen (Phasenwechsel) eine große spezifische Wärmemenge (Verdampfungsenthalpie) aufnehmen. Die Enthalpieerhöhung des Dampfes vor dem Eintritt in die Turbine führt zu einer geringfügig höheren Abdampfenthalpie hinter der Turbine. Endet die Expansion in der Turbine bereits unterhalb der Sattdampflinie im sogenannten Nassdampfgebiet führt die höhere Abdampfenthalpie bei sonst gleichem Druck zu einem höheren Dampfgehalt des Abdampfes. Die sog. Endnässe wird geringfügig reduziert. Dadurch können negative Effekte wie zum Beispiel Tropfenschlagerosion oder Schleppverluste reduziert werden.
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Vorzugsweise umfasst das Betriebsverfahren die weiteren Schritte
- a) Verdampfen eines flüssigen Wärmeträgermediums, sodass dampfförmiges Fluid erhalten wird, und
- e) Kondensieren des dampfförmigen Fluids nachdem es die Turbine durchströmt hat, sodass flüssiges Wärmeträgermedium erhalten wird.
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Das durch Verdampfen im Schritt a) erhaltene Fluid wird im Schritt b) in die Zuleitung eingeleitet. Das im Schritt e) kondensierte, flüssige Wärmeträgermedium kann nach Wärmezufuhr einer erneuten Verdampfung gemäß Schritt a) zugeführt werden. Auf diese Weise kann ein Kreisprozess eingerichtet werden. Zur Wärmezufuhr kann das Wärmeträgermedium durch einen Wärmespeicher und/oder eine Heizvorrichtung, beispielsweise einen solarthermischen Wärmeerzeuger, geleitet werden. Das flüssige Wärmeträgermedium ist derselbe Stoff wie das Fluid; dieser Stoff liegt als Wärmeträgermedium im flüssigen Aggregatzustand vor und als Fluid dampfförmig, d.h. im gasförmigen Aggregatzustand.
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Eine Temperatur des in die Zuleitung eingeleiteten Fluids kann höchstens 110°C, bevorzugt höchstens 100°C, besonders bevorzugt höchstens 90°C, betragen. Dadurch wird eine besonders effektive Kühlung des Generators erreicht. Insbesondere kann ein Generator mit einer zulässigen Betriebstemperatur von beispielsweise 130°C mit einer Temperaturdifferenz von 20 K wirksam gekühlt und vor Überhitzen geschützt werden. Ein Fluid mit einer solchen Temperatur kann vorzugsweise durch Entspannungsverdampfen bereitgestellt werden. Insbesondere kann das Fluid in einem Entspannungsverdampfer verdampftes Wasser sein, das vorzugsweise vor dem Entspannungsverdampfen vorgewärmt wurde, beispielsweise auf 80°C bis 105°C, vorzugsweise auf 90°C bis 95°C.
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Stromaufwärts des Generators kann eine Flüssigkeit in die Zuleitung eingespritzt werden. Die Flüssigkeit wird dabei zusätzlich zu dem Fluid in die Zuleitung eingespritzt. Das Einspritzen erfolgt zumindest zeitweise während der Durchführung des Betriebsverfahrens. Es kann jedoch auch durchgängig (kontinuierlich) eingespritzt werden. Die Flüssigkeit ist vorzugsweise derselbe Stoff (z.B. Wasser) wie das Fluid. Das Fluid liegt jedoch typischerweise gasförmig vor. Durch das Einspritzen der Flüssigkeit kann die Temperatur des Fluids reduziert werden. Wenn das Fluid ein Dampf ist, kann die Temperatur bis zur Sattdampftemperatur reduziert werden. Darüber hinaus wird der Dampfgehalt reduziert bzw. die Nässe erhöht. Die flüssigen Bestandteile sorgen in der Dampfströmung beim Verdampfen für eine größere Kühlleistung. Diese Maßnahme für zu einem Rückgang der Wicklungstemperaturen.
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Erfindungsgemäße Turbosätze
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In den Rahmen der Erfindung fällt auch ein Turbosatz aufweisend eine Turbine, die als Axialturbine ausgebildet ist, und einen Generator. Der Generator ist innerhalb einer Zuleitung zu der Turbine angeordnet. Die Turbine ist für eine Anströmung aus Richtung des Generators ausgebildet. Der Generator ist mithin stromaufwärts der Turbine angeordnet. Eine Strömung eines Fluids verläuft im Betrieb des Turbosatzes von dem Generator zu der Turbine. Das Fluid strömt im Betrieb zunächst an dem Generator vorbei und sodann durch die Turbine. Dadurch wird eine inhärente Kühlung des Generators ohne zusätzlichen Energieaufwand erreicht. Wenn die Turbine von dem Fluid angetrieben wird, strömt das Fluid zunächst an dem Generator vorbei. Dabei nimmt das Fluid Wärmeenergie von dem Generator auf. Dadurch wird der Generator gekühlt und die Enthalpie des Fluids wird erhöht. Diese Enthalpieerhöhung des Fluids kann beim Durchtritt durch die Turbine zur Erzeugung (zusätzlicher) mechanischer Energie genutzt werden. Die Turbine ist erfindungsgemäß als Dampfturbine ausgebildet. Die Dampfturbine kann ein- oder mehrstufig ausgeführt sein. Eine Beschaufelung der Turbine kann im Impuls- oder, vorzugsweise, im Reaktionsdesign ausgeführt sein.
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Der Generator besitzt vorzugsweise eine Nennleistung von wenigstens 50 kW. Typischerweise besitzt der Generator eine Nennleistung von höchstens 500 kW, bevorzugt höchstens 300 kW, besonders bevorzugt höchstens 200 kW, ganz besonders bevorzugt höchstens 100 kW.
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Eine Axialturbine ist grundsätzlich nur für eine Anströmung aus einer Richtung geeignet. Sie kann für ihren Betrieb nicht je nach Bedarf aus beiden axialen Richtungen angeströmt werden. Eine Axialturbine erlaubt einen großen Volumenstrom von Fluid bei niedrigen Drücken.
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Die erfindungsgemäßen Turbosätze werden vorzugsweise mit einem oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Betriebsverfahren betrieben.
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Die Turbine ist vorzugsweise als Niederdruckdampfturbine ausgebildet. Unter einer Niederdruckdampfturbine wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Dampfturbine verstanden, die bei einem Eintrittsdruck und einem Austrittsdruck des Dampfes (Fluids) von jeweils weniger als 1 bar arbeitet. Mit anderen Worten liegt bei einer Niederdruckdampfturbine ein dampfseitiger Systemdruck im Betrieb unterhalb von 1 bar, d.h. unterhalb des Umgebungsdrucks.
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Vorzugsweise sind ein Turbinenrad der Turbine und ein Rotor des Generators um eine gemeinsame Längsachse drehbar. Dies erlaubt einen vereinfachten Aufbau des Turbosatzes. Der Rotor des Generators und das Turbinenrad der Turbine können auf derselben oder auf separaten Wellen angeordnet sein. Der Rotor und das Turbinenrad können direkt miteinander gekuppelt sein, oder durch ein Getriebe miteinander verbunden werden. Vorzugsweise sind das Turbinenrad und der Rotor auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Dies vereinfacht den Aufbau des Turbosatzes weiter und erlaubt einen besonders kompakten Bau. Der Turbosatz kann eine erste Lagerstelle für die Welle zwischen dem Rotor und dem Turbinenrad aufweisen und eine zweite Lagerstelle für die Welle jenseits des Rotors aufweisen. Vorzugsweise ist keine weitere Lagerstelle vorgesehen. Das Turbinenrad ist dann fliegend gelagert.
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Alternativ dazu kann auch das Turbinenrad zwischen zwei Lagerstellen der Welle angeordnet sein. Insbesondere können Rotor und Turbinenrad zwischen genau zwei Lagerstellen der Welle angeordnet sein.
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Vorzugsweise ist ein Leitrad der Turbine zwischen dem Generator und einem Turbinenrad der Turbine angeordnet. Durch das Leitrad kann das strömende Fluid beschleunigt und umgelenkt werden, sodass es drallbehaftet auf das Turbinenrad trifft. Dadurch kann die Arbeitsumsetzung des Turbosatzes verbessert werden.
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Ein Stator des Generators kann in einem Innengehäuse angeordnet sein. Das Innengehäuse ist innerhalb der Zuleitung angeordnet. Das Innengehäuse umgibt den Stator in Umfangsrichtung, insbesondere ringförmig. Das Innengehäuse ist vorzugsweise an der Zuleitung abgestützt. Typischerweise ist auch der Rotor innerhalb des Innengehäuses angeordnet, insbesondere innerhalb des Stators. Zwischen dem Innengehäuse und einer Wandung der Zuleitung ist vorteilhaft ein ringförmiger Strömungskanal ausgebildet. Das Fluid kann in dem Strömungskanal um das Innengehäuse herum strömen. Vorzugsweise weist das Innengehäuse außenseitig Kühlrippen auf. Dadurch kann eine verbesserte Wärmeübertragung auf das strömende Fluid und eine stärkere Kühlung des Generators erreicht werden. Der Stator umfasst typischerweise ein Blechpaket und Wicklungen.
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Der Generator, ggf. mit Innengehäuse, und die Turbine können in einem gemeinsamen Außengehäuse angeordnet sein. Alternativ können der Generator, ggf. mit Innengehäuse, und die Turbine jeweils in separaten Außengehäusen angeordnet sein.
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Stromaufwärts des Generators kann eine Einspritzvorrichtung für flüssiges Wärmeträgermedium an der Zuleitung angeordnet sein. Die Einspritzvorrichtung ist mit anderen Worten von der Turbine aus gesehen jenseits des Generators an der Zuleitung angeordnet. Dies erlaubt eine noch stärkere Kühlung des Generators. Zudem können die weiteren Vorteile des Betriebsverfahrens mit Flüssigkeitseinspritzung an dem Turbosatz nutzbar gemacht werden.
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Erfindungsgemäße Niederdruckdampfturbinenanlagen
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In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt weiterhin eine Niederdruckdampfturbinenanlage aufweisend
- - einen erfindungsgemäßen Turbosatz,
- - einen Entspannungsverdampfer, zum Verdampfen von flüssigem Wärmeträgermedium, sodass dampfförmiges Fluid erhalten wird, wobei der Druck in dem Entspannungsverdampfer unter dem Umgebungsdruck liegt.
Durch den Entspannungsverdampfer wird das Fluid bei einem Druck unterhalb des Umgebungsdrucks bereitgestellt. Die Niederdruckdampfturbinenanlage ist mithin inhärent sicher, da ein Austritt des Fluids in die Umgebung nicht möglich ist. Im Falle eines mechanischen Schadens an einem Leitungssystem der Niederdruckdampfturbinenanlage kann allenfalls Umgebungsluft in diese einströmen. Dadurch kann die Niederdruckdampfturbinenanlage einfacher aufgebaut werden. Insbesondere kann auf Sicherheitseinrichtungen wie beispielsweise Schnellschlussklappen oder Schnellschlussventile verzichtet werden.
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Die erfindungsgemäßen Niederdruckdampfturbinenanlagen werden vorzugsweise mit einem oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Betriebsverfahren betrieben.
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Die Niederdruckdampfturbinenanlage kann weiterhin einen Kondensator aufweisen, zum Kondensieren des im Betrieb aus der Turbine austretenden dampfförmigen Fluids, sodass flüssiges Wärmeträgermedium erhalten wird, wobei der Druck in dem Kondensator unter dem Umgebungsdruck liegt.
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Bevorzugt weist die Niederdruckdampfturbinenanlage weiterhin eine Rückführeinrichtung auf, um flüssiges Wärmeträgermedium aus dem Kondensator in den Entspannungsverdampfer zurückzuführen, nachdem es wieder erwärmt wurde. Dadurch kann ein Kreisprozess eingerichtet werden. Die Rückführeinrichtung weist typischerweise eine Kondensatpumpe auf, die das kondensierte Wärmeträgermedium in einen Wärmespeicher und/oder eine Heizvorrichtung, z.B. einen solarthermischen Wärmeerzeuger fördert. Von dort wird das Wärmeträgermedium wieder in den Entspannungsverdampfer gefördert, beispielsweise mittels einer Vorlaufpumpe.
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Die Niederdruckdampfturbinenanlage kann weiterhin Folgendes aufweisen:
- - einen Vakuumbrecher, der stromabwärts eines Turbinenrades der Turbine angeordnet ist,
- - eine Leistungselektronik zum Anschließen des Generators an einen Verbraucher, und
- - eine Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, die elektrische Belastung des Generators durch die Leistungselektronik zu verändern und den Vakuumbrecher zu öffnen.
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Der Vakuumbrecher erlaubt insbesondere ein Schnellabschalten der Niederdruckdampfturbinenanlage, indem er im geöffneten Zustand Luft aus der Umgebung stromabwärts des Turbinenrades in die Niederdruckdampfturbinenanlage einströmen lässt. Dadurch kommt der Prozess zum Erliegen. Auf weitere Regel- oder Sicherheitsorgane kann verzichtet werden.
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Die Steuereinheit erlaubt ein Anpassen der Niederdruckdampfturbinenanlage an unterschiedliche Betriebsparameter, wie beispielsweise Temperaturen und/oder Drücke des Fluids. Insbesondere kann durch Verändern der Belastung des Generators eine Drehzahl der Turbine an die aktuellen Betriebsparameter der Niederdruckdampfturbinenanlage angepasst werden.
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Dadurch kann der Betriebsbereich der Niederdruckdampfturbinenanlage erweitert werden.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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Figurenliste
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Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 einen Turbosatz mit einer Turbine und einem Generator in einer symbolischen Darstellung, wobei die Richtung der Durchströmung beim Betrieb des Turbosatzes eingezeichnet ist;
- 2 einen Turbosatz mit einer Turbine und einem Generator und weiterhin mit einem Kondensator sowie einer Einspritzvorrichtung für flüssiges Wärmeträgermedium, in einer symbolischen Darstellung;
- 3 einen Turbosatz mit einer Turbine und einem Generator, wobei ein Turbinenrad der Turbine und ein Rotor des Generators auf derselben Welle angeordnet sind, in einem schematischen Längsschnitt;
- 4 eine Niederdruckdampfturbinenanlage mit einem Turbosatz umfassend eine Turbine und einen Generator sowie mit einem Entspannungsverdampfer und einem Kondensator, in einer symbolischen Darstellung;
- 5 ein Ablaufdiagramm eines Betriebsverfahrens für einen Turbosatz.
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1 zeigt einen Turbosatz 10 in einer symbolischen Darstellung. Der Turbosatz 10 weist eine Turbine 12 und einen Generator 14 auf. Die Turbine 12 ist als eine Axialturbine ausgebildet. Der Generator 14 wird von der Turbine 12 angetrieben.
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Im Betrieb des Turbosatzes 10 strömt Fluid, z. B. Dampf, zunächst an dem Generator 14 vorbei und sodann durch die Turbine 12. In der Turbine 12 wird thermische Energie des Fluids in mechanische Energie umgewandelt. Diese mechanische Energie wird im Generator 14 in elektrische Energie umgewandelt. Der Generator 14 ist innerhalb einer nicht näher dargestellten Zuleitung zu der Turbine 12 stromaufwärts von dieser angeordnet.
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Die Strömungsrichtung des Fluids ist in 1 durch Pfeile angedeutet. Das Fluid, das die Turbine 12 antreibt, wird zuerst über den Generator 14 geleitet. Dort bewirkt das Fluid eine Wärmeabfuhr (Kühlung). Sodann wird das Fluid auf die Turbine 12 geleitet. Es sei angemerkt, dass der Verlauf der Strömung durch den Turbosatz 10 in 1 nur beispielhaft dargestellt ist. Vorzugsweise sind der Generator 14 und die Turbine 12 so ausgebildet und angeordnet, dass die Strömung zwischen dem Generator 14 und der Turbine 12 geradlinig verläuft.
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2 zeigt einen Turbosatz 10 in einer symbolischen Darstellung. Der Turbosatz 10 gemäß 2 weist wie der Turbosatz von 1 eine Turbine 12, nämlich eine Axialturbine, und einen Generator 14 auf, der von der Turbine 12 angetrieben wird. Der Turbosatz 10 weist weiterhin einen Kondensator 16 auf. Der Kondensator 16 ist der Turbine 12 fluidisch nachgeschaltet. Dampfförmiges Fluid wird nach dem Durchtritt durch die Turbine 12 in dem Kondensator 16 abgekühlt, sodass es kondensiert. Im flüssigen Zustand wird das Fluid im Rahmen der Erfindung als flüssiges Wärmeträgermedium bezeichnet. Eine dem Kondensator 16 nachgeschaltete Kondensatpumpe 18 fördert das verflüssigte Fluid (flüssiges Wärmeträgermedium) zurück in einen nicht näher dargestellten Kreislauf. Das flüssige Wärmeträgermedium kann erneut verdampft und als (gasförmiges) Fluid dem Turbosatz 10 zugeführt werden.
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Das Fluid wird über eine nicht näher dargestellte Zuleitung zunächst an dem Generator 14 vorbeigeleitet, wobei es den in der Zuleitung angeordneten Generator 14 umströmt, und dann der Turbine 12 zugeführt. Beim Vorbeiströmen an dem Generator 14 kühlt das Fluid den Generator 14. Zur Überwachung der Temperatur des Generators 14 ist ein Temperatursensor 20 vorgesehen. Typischerweise sind mehrere Temperatursensoren 20 vorgesehen, die vorzugsweise mit einem fehlertoleranten Überwachungsverfahren, beispielsweise 2oo3 (zwei von drei), überwacht werden.
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Der Turbosatz 10 weist ferner eine Einspritzvorrichtung 22 für flüssiges Wärmeträgermedium auf. Die Einspritzvorrichtung 22 kann zumindest ein Regelventil, zumindest eine Rohrleitung sowie zumindest eine Einspritzdüse umfassen.
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Wenn der Temperatursensor 20 feststellt, dass die Temperatur des Generators 14 einen zulässigen Wert überschritten hat, wird die Einspritzvorrichtung 22 aktiviert. Die Einspritzvorrichtung 22 spritzt dann Flüssigkeit stromaufwärts des Generators 14 in die Zuleitung ein. Die eingespritzte Flüssigkeit ist hier flüssiges Wärmeträgermedium, das aus dem Kondensator 16 abgezogen wurde. Durch die Wärme des Generators 14 verdampft die Flüssigkeit. Dadurch wird eine stärkere Kühlung des Generators 14 erreicht. Nach dem Verdampfen kann die zusätzliche thermische Energie in der Turbine 12 nutzbar gemacht werden.
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3 zeigt eine Turbosatz 10 mit einer Turbine 12 und einem Generator 14 in einem schematischen Längsschnitt. Die Turbine 12 ist als eine Axialturbine ausgebildet. Die Turbine 12 weist ein Turbinenrad 24 und ein Leitrad 26 auf. Das Leitrad 26 ist stromaufwärts des Turbinenrades 24 angeordnet, hier zwischen dem Turbinenrad 24 und dem Generator 14. Das Turbinenrad 24 ist mittels einer Welle 28 drehbar gelagert. Radial außen weist das Turbinenrad 24 eine Laufbeschaufelung 25 auf. Die Laufbeschaufelung 25 kann von dem Turbinenrad 24 separate Laufschaufeln umfassen, die an dem Turbinenrad 24 befestigt sind. Alternativ kann das Turbinenrad 24 einstückig ausgebildet sein, d.h. die Laufbeschaufelung 25 kann integraler Bestandteil des Turbinenrades 24 sein.
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Ein Außengehäuse 30 des Turbosatzes 10 bildet stromaufwärts der Turbine 12 eine Zuleitung 32 mit aus. Stromabwärts der Turbine 12 bildet das Außengehäuse 30 eine Ableitung 34 mit aus. Über die Zuleitung 32 wird der Turbine 12 Fluid zugeführt. Über die Ableitung 34 wird entspanntes Fluid nach Durchtritt durch die Turbine 12 abgeführt.
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Innerhalb der Zuleitung 32 ist der Generator 14 angeordnet. Der Generator 14 befindet sich mithin stromaufwärts der Turbine 12. Eine Richtung der Strömung durch den Turbosatz 10 ist in 3 durch Pfeile angedeutet. Die Strömung des Fluids verläuft hier geradlinig durch die Zuleitung 32 an dem Generator 14 vorbei und zu der Turbine 12 hin.
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Der Generator 14 weist einen Rotor 36 und einen Stator 38 auf. Der Rotor 36 ist auf derselben Welle 28 wie das Turbinenrad 24 angeordnet. Mithin ist der Rotor 36 zusammen mit dem Turbinenrad 24 um eine gemeinsame Längsachse 40 drehbar. Die Welle 28, der Rotor 26 und das Turbinenrad 24 bilden einen Läufer des Turbosatzes 10. Das Leitrad 26 ist bezüglich der Längsachse 40 nicht drehbar. Das Leitrad kann an dem Außengehäuse 30 und/oder einem Innengehäuse 46 des Turbosatzes 10 undrehbar gehalten sein. Die Längsachse 40 kann für den Betrieb des Turbosatzes 10 horizontal, vertikal oder geneigt ausgerichtet sein.
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Die Welle 28 ist in einer ersten Lagerstelle 42 und einer zweiten Lagerstelle 44 gelagert. Die erste Lagerstelle 42 befindet sich zwischen dem Rotor 36 und dem Turbinenrad 24. Die zweite Lagerstelle 44 befindet sich vom Turbinenrad 24 aus gesehen jenseits, d.h. stromaufwärts, des Rotors 36. Die Lagerstellen 42, 44 können in an und für sich bekannter Weise als Fest-/Loslageranordnung, schwimmende Stützlagerung oder angestellte Stützlagerung ausgeführt sein. Lager der Lageranordnungen 42, 44 können als Wälzlager, Gleitlager und/oder Magnetlager ausgebildet sein.
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Der Stator 28 des Generators 14 ist in dem Innengehäuse 46 angeordnet. Das Innengehäuse 46 ist innerhalb der Zuleitung 32 angeordnet. Das Innengehäuse 46 kann sich über nicht näher dargestellte Stützen an dem Außengehäuse 30 abstützen. Die Lagerstellen 42, 44 stützen die Welle 28 in nicht näher dargestellter Weise an dem Innengehäuse 46 ab.
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Zwischen dem Innengehäuse 46 und der Zuleitung 32 des Außengehäuses 30 ist ein Ringspalt 48 ausgebildet. Im Betrieb des Turbosatzes 10 strömt das Fluid durch den Ringspalt 48 an dem Generator 14 vorbei. Außenseitig weist das Innengehäuse 46 Kühlrippen 50 auf. Die Kühlrippen 50 ragen in zu der Längsachse 40 radialer Richtung in den Ringspalt 48 hinein. Im Betrieb werden die Kühlrippen 50 somit von dem strömenden Fluid überstrichen, sodass der Generator 14 gekühlt wird. Zur Verbesserung der Wärmeableitung kann der Stator 38 in nicht näher dargestellter, aber an und für sich bekannter Weise wärmeleitend mit den Kühlrippen 50 verbunden sein.
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4 zeigt eine Niederdruckdampfturbinenanlage 52. Die Niederdruckdampfturbinenanlage 52 weist einen Turbosatz 10 mit einer Turbine 12 und einem Generator 14 auf. Die Turbine 12 ist eine Axialturbine. Die Turbine 12 treibt den Generator 14 an. Die Niederdruckdampfturbinenanlage 52 weist weiterhin einen Entspannungsverdampfer 54 auf. In dem Entspannungsverdampfer 54 wird flüssiges Wärmeträgermedium 56, z.B. Wasser, verdampft, sodass dampfförmiges Fluid erhalten wird. Das flüssige Wärmeträgermedium wird durch eine Vorlaufpumpe 58 in den Entspannungsverdampfer 54 gefördert. Das Wärmeträgermedium 56 kann durch eine Rücklaufpumpe 60 aus dem Entspannungsverdampfer 54 abgezogen und einer erneuten Erwärmung und Einspeisung in den Entspannungsverdampfer 54 zugeführt werden. Der Druck in dem Entspannungsverdampfer 54 ist so gering, dass das Wärmeträgermedium verdampft. Der Druck im Entspannungsverdampfer 54 liegt unter dem Umgebungsdruck. Wasser als Wärmeträgermedium 56 kann beispielsweise bei 0,3 bis 0,7 bar und 80°C bis 90°C in die Dampfphase überführt werden. Der entstandene Dampf wird durch eine Zuleitung an dem Generator 14 vorbeigeführt und in der Turbine 12 entspannt.
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Aus der Turbine 12 gelangt der entspannte Dampf in einen Kondensator 16. Dort wird der Dampf gekühlt, sodass er kondensiert und flüssiges Wärmeträgermedium erhalten wird. Hierzu kann ein Kühlmedium mittels einer Kühlmediumpumpe 62 durch den Kondensator 16 gefördert werden. Durch eine Kondensatpumpe 18 kann das kondensierte Fluid/Wärmeträgermedium in einen Kreislauf zurückgefördert werden. Die Kondensatpumpe 18 bildet hier einen Teil einer Rückführeinrichtung, mittels der flüssiges Wärmeträgermedium aus dem Kondensator 16 in den Entspannungsverdampfer 54 zurückgeführt wird.
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Die Niederdruckdampfturbinenanlage 52 weist eine Evakuierungsanlage 64, z.B. eine Vakuumpumpe, auf, die hier an dem Kondensator 16 angeordnet ist. Durch die Evakuierungsanlage 64 wird der Druck in einem dampfführenden Bereich der Niederdruckdampfturbinenanlage 52 unter den Umgebungsdruck abgesenkt.
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Die Niederdruckdampfturbinenanlage 52 weist weiterhin einen Vakuumbrecher 66 auf, der stromabwärts eines Turbinenrades der Turbine 12, hier an dem Kondensator 16, angeordnet ist. Durch Öffnen des Vakuumbrechers 66 kann Umgebungsluft in den Kondensator 16 einströmen. Dadurch kann der Betrieb der Niederdruckdampfturbinenanlage 52 gestoppt werden. Die Niederdruckdampfturbinenanlage 52 umfasst zur Ansteuerung des Vakuumbrechers 66 eine Steuereinheit 68. Die Steuereinheit 68 öffnet bei Bedarf, etwa zum Zwecke einer Notabschaltung, den Vakuumbrecher 66.
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Der Generator 14 ist an eine Leistungselektronik 70 der Niederdruckdampfturbinenanlage 52 angeschlossen. Der im Generator 14 erzeugte Strom wird über die Leistungselektronik 70 an einen Verbraucher, beispielsweise ein elektrisches Netz oder eine Batterie, abgegeben. Die Leistungselektronik 70 kann einen Frequenzumrichter aufweisen. Die elektrische Belastung des Generators 14 kann mittels der Leistungselektronik 70 und der Steuereinheit 68 verändert werden. Insbesondere kann die Belastung an Betriebsparameter der Niederdruckdampfturbinenanlage 52 angepasst werden, etwa derart, dass die Drehzahl der Turbine 12 auf einen Sollwert für die aktuellen Betriebsparameter eingeregelt wird. Hierzu wirkt die Steuereinheit 68 auf die Leistungselektronik 70 ein. In der Steuereinheit 68 können entsprechende Algorithmen hinterlegt sein.
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Betriebsverfahrens für einen Turbosatz, der Teil einer Niederdruckdampfturbinenanlage ist, vgl. 4. In einem Schritt 100 wird flüssiges Wärmeträgermedium verdampft, sodass dampfförmiges Fluid erhalten wird. Hierzu kommt ein Entspannungsverdampfer zum Einsatz, der das Fluid bei einem Druck von weniger als 1 bar, d.h. unterhalb des Umgebungsdrucks, verdampft. In einem anschließenden Schritt 102 wird das Fluid in eine Zuleitung (vgl. 3, Bezugszeichen 32) zu einer Turbine des Turbosatzes eingeleitet. In der Zuleitung wird das Fluid in einem Schritt 104 an einem Generator des Turbosatzes vorbeigeführt. Der Generator ist stromaufwärts der Turbine in der Zuleitung angeordnet. Sodann treibt das Fluid in einem Schritt 106 die Turbine an. Bei den Schritten 104 und 106 ist die Strömung des Fluids von dem Generator zu der Turbine gerichtet. Das Fluid strömt mit anderen Worten zunächst an dem Generator vorbei und anschließend durch die Turbine. Schließlich wird das dampfförmige Fluid in einem Schritt 108 kondensiert, sodass flüssiges Wärmeträgermedium erhalten wird. Dieses flüssige Wärmeträgermedium kann in einem Kreisprozess erneut den Schritten 102 bis 108 unterzogen werden.
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Zusammenfassend betrifft die Erfindung einen fluidgekühlten, insbesondere dampfgekühlten, Turbosatz 10 (Turbinengenerator), umfassend einen Generator 14 und eine Expansionsmaschine (Turbine 12), nämlich eine Dampfturbine, die den Generator 14 antreibt. Die Turbine 12 dient der Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie. Der Generator 14 dient der Umwandlung, der von der Turbine 12 bereitgestellten, mechanischen Energie in elektrische Energie. Der dampfgekühlte Turbinengenerator (Turbosatz 10) zeichnet sich dadurch aus, dass der Dampf (das Fluid) nach der Aufnahme der Verlustwärme des Generators 14 der Dampfturbine zugeführt und dort entspannt wird. Um die im Generator 14 entstehende Verlustwärme sicher an den Dampf abführen zu können, kann ein Innengehäuse 46 des Generators 14 mit Kühlrippen 50 versehen sein, die von dem Dampf umströmt werden. Eine derartige Prozessführung führt zu einer inhärenten Kühlung des Generators 14, denn erst wenn Dampf strömt, kann die Turbine 12 arbeiten und den Generator 14 antreiben, dessen Kühlung durch die Dampfströmung ebenfalls sichergestellt ist. Diese Systemeigenschaft erlaubt eine deutliche Reduzierung der Maschinen- als auch der Anlagenkomplexität. Zum einen kann bei dem Generator 14 auf ein Kühlsystem verzichtet werden. Zum anderen kann in der Gesamtanlage ein Rückkühlkreis als auch die Überwachung der erwähnten Generatorkühlung entfallen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Turbosatz
- 12
- Turbine
- 14
- Generator
- 16
- Kondensator
- 18
- Kondensatpumpe
- 20
- Temperatursensor
- 22
- Einspritzvorrichtung
- 24
- Turbinenrad
- 25
- Laufbeschaufelung
- 26
- Leitrad
- 28
- Welle
- 30
- Außengehäuse
- 32
- Zuleitung
- 34
- Ableitung
- 36
- Rotor
- 38
- Stator
- 40
- Längsachse
- 42
- erste Lagerstelle
- 44
- zweite Lagerstelle
- 46
- Innengehäuse
- 48
- Ringspalt
- 50
- Kühlrippen
- 52
- Niederdruckdampfturbinenanlage
- 54
- Entspannungsverdampfer
- 56
- flüssiges Wärmeträgermedium
- 58
- Vorlaufpumpe
- 60
- Rücklaufpumpe
- 62
- Kühlmediumpumpe
- 64
- Evakuierungsanlage
- 66
- Vakuumbrecher
- 68
- Steuereinheit
- 70
- Leistungselektronik
- 100
- Verdampfen
- 102
- Einleiten
- 104
- Vorbeiführen
- 106
- Antreiben
- 108
- Kondensieren
