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Die Erfindung betrifft ein Kondensationsabdampfgehäuse für eine Dampfturbine nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1.
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Kondensationsabdampfgehäuse stellen die Verbindung zwischen dem Turbinenaußengehäuse und dem Kondensator her. Die Verbindung zum Turbinenaußengehäuse wird dabei über eine vertikal verschraubte Teilfuge realisiert. Üblicherweise ist das Kondensationsabdampfgehäuse so wie das Turbinenaußengehäuse zweiteilig jeweils aus einem Ober- und Unterteil ausgebildet. Somit besteht die Möglichkeit, nach dem Ausrichten der verbundenen Unterschalen der Turbine, den Rotor von oben in die Lagerschalen zu legen und zum Schluss die Turbine zu deckeln. Hierdurch gestaltet sich die Montage der Gehäuse wesentlich einfacher. Die jeweiligen Hälften werden dann über horizontale Teilfugen ebenfalls miteinander verschraubt. Sowohl an die vertikale als auch an die horizontale Teilfuge werden hohe Anforderungen bezüglich der Dampfdichtigkeit gestellt. In vielen Fällen nimmt das Kondensationsabdampfgehäuse die Niederdruckbeschaufelung der Dampfturbine auf. Die Dampfparameter an der vertikalen Teilfuge und in diesem Bereich an der horizontalen Teilfuge entsprechen dann den Parametern vor der Niederdruckbeschaufelung, d.h., es herrschen Überdruck und Temperaturen von deutlich mehr als 100°C. Diese relativ hohen Temperaturen führen zur Wärmedehnung insbesondere in der Stirnfläche des Kondensationsabdampfgehäuses. Aufgrund der steifen Ausführung der Stirnfläche kommt es zu einer gezwängten Wärmedehnung und damit zu Wärmespannungen und zu Verformungen an den umliegenden Elementen des Kondensationsabdampfgehäuses, so dass die vertikale und die horizontale Flanschverbindung aufgehebelt werden und es zu Undichtigkeiten an den Flanschverbindungen kommen kann. Um Leckage im Bereich der Teilfugen zu verhindern und die Flanschdichtigkeit herzustellen, werden die Schraubenvorspannkräfte und die Anzahl der Teilfugenschrauben oftmals entsprechend erhöht. Falls diese Maßnahme nicht ausreicht, wurde bislang der Temperaturgradient an der vertikalen Teilfuge reduziert. Dies geht allerdings mit einer Verringerung des Wirkungsgrades einher.
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Ausgehend zum zuvor beschriebenen Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kondensationsabdampfgehäuse bereitzustellen, das auch bei hohen Dampfparametern dicht bleibt.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung, die einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das erfindungsgemäße Kondensationsabdampfgehäuse für eine Dampfturbine zum Verbinden eines Turbinenaußengehäuses für einen Kondensator, wobei das Kondensationsabdampfgehäuse mindestens eine radial zur Turbinengehäusehauptachse angeordnete Stirnfläche und eine zylinderförmig um die Turbinengehäusehauptachse verlaufenden Mantelfläche umfasst und wobei das Kondensationsabdampfgehäuse über eine vertikale Teilfuge an der Stirnfläche des Kondensationsabdampfgehäuse mit dem Turbinenaußengehäuse verbindbar ist, zeichnet sich dadurch aus, dass die Mantelfläche mit der Stirnfläche des Kondensationsabdampfgehäuses mittels eines wenigstens halbringförmigen, sich verjüngenden Verbindungsstücks verbunden ist.
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Durch das sich verjüngende Verbindungsstück wird die Wärmedehnung, insbesondere der Mantelfläche, erheblich erleichtert, wodurch es in der Folge zu einer geringeren Wärmespannung und damit zu geringeren Verformungen der umliegenden Elemente des Kondensationsabdampfgehäuses kommt. Hierdurch wird das Aufhebeln der Flanschverbindung wirkungsvoll verhindert, wodurch die Dampfdichtigkeit der Teilfugen erhalten bleibt. Das verjüngende Verbindungsstück fungiert dabei als eine Art Scharnier, das es der Stirnfläche bei Erwärmung erleichtert sich auszudehnen. Durch das sich verjüngende Verbindungsstück wird dabei erstmalig auch bei hohen Dampfparametern, d.h. im Überdruck und bei Temperaturen deutlich über 100 °C eine Teilfugendichtigkeit am Kondensationsabdampfgehäuse gewährleistet.
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Das wenigstens halbringförmige, sich verjüngende Verbindungsstück kann dabei einstückig oder auch aus mehreren Kreissegmenten bestehen.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das wenigstens halbringförmige Verbindungsstück trichter- oder bogenförmig ausgebildet ist. Beide Formen begünstigen eine ungehinderte Wärmedehnung der Mantelfläche. Die gerade Kontur des Verbindungstückes ist dabei fertigungstechnisch grundsätzlich einfacher herzustellen als eine bogenförmige Ausbildung und benötigt zudem weniger Anpassungen am Gehäuse.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Verjüngung vorzugsweise zwischen 5 % und 20% besonders bevorzugt zwischen 5% und 10 % des Außenradius der Mantelfläche des Kondensationsabdampfgehäuses beträgt. Eine zu geringe Verjüngung würde die Wärmedehnung der Mantelfläche behindern und dadurch nicht den gewünschten Effekt erzielen. Bei einer zu großen Verjüngung könnte es dagegen zu einer deutlichen Verringerung der Gesamtsteifigkeit des Kondensationsabdampfgehäuses kommen, welche ebenfalls unerwünscht ist.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zumindest ein Teil der Niederdruckbeschaufelung innerhalb des Kondensationsabdampfgehäuses angeordnet ist. Durch die Anordnung zumindest eines Teils der Niederdruckbeschaufelung nehmen die Dampfdruckparameter im Kondensationsabdampfgehäuse zu, allerdings wird durch das erfindungsgemäße Ausgestaltung des Kondensationsabdampfgehäuses, eine sichere Abdichtung des Kondensationsabdampfgehäuses, im Bereich der Teilfugen gewährleistet.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das zumindest halbringförmige, sich verjüngende Verbindungsstück eingeschweißt ist. Das Einschweißen des Verbindungsstücks ermöglicht insbesondere bei einem Kondensationsabdampfgehäuse aus Blech eine besonders einfache Herstellung.
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Grundsätzlich ist es auch denkbar, insbesondere beim Ausbilden des Kondensationsabdampfgehäuses aus GFK oder einem anderen Faserverbundwerkstoff, das Verbindungsstück einstückig mit der Mantelfläche und/oder der Stirnfläche auszubilden.
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Weitere Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Dampfturbine im Längsschnitt;
- 2 einen Radialschnitt durch die in 1 gezeigte Dampfturbine entlang der Linie A-A.
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Die Figuren zeigen jeweils stark vereinfachte, schematische Darstellungen der Erfindung. Die Darstellung ist dabei nicht zwangsläufig maßstabgerecht ausgeführt. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind figurübergreifend mit denselben Bezugszeichen benannt.
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1 zeigt eine Dampfturbine im Längsschnitt. Die Dampfturbine umfasst ein Turbinenaußengehäuse 2 und einen Kondensator 3. Das Turbinenaußengehäuse 2 ist mit dem Kondensator 3 über ein Kondensationsabdampfgehäuse 1 miteinander verbunden. Das Kondensationsabdampfgehäuse 1 umfasst eine radial zur Turbinengehäusehauptachse 4 angeordnete Stirnfläche 5 und eine bogenförmig/zylinderförmige um das Turbinengehäuse 4 verlaufende Mantelfläche 6. Die Verbindung zwischen dem Kondensationsabdampfgehäuse 1 und dem Turbinenaußengehäuse 2 erfolgt über eine vertikale Teilfuge 7 an der Stirnfläche 5 des Kondensationsabdampfgehäuses 1. Das Kondensationsabdampfgehäuse 1 ist wie insbesondere aus 2 ersichtlich, zweiteilig aus einem Ober- und einem Unterteil gefertigt. Im Ausführungsbeispiel ist das Oberteil als Halbzylinder ausgebildet. Da es sich bei der dargestellten Dampfturbine um eine radial abströmende Dampfturbine handelt, weist das Unterteil konstruktionsbedingt eine von der Zylinderform abweichende Geometrie auf. Die Mantelfläche 6 und die Stirnfläche 5 des Kondensationsabdampfgehäuses 1 werden im Oberteil des Kondensationsabdampfgehäuses 1 mittels eines halbringförmigen, sich verjüngenden Verbindungsstückes 8 verbunden. Aufgrund des sich verjüngenden Verbindungsstückes 8 kann sich die Stirnfläche 5 bei Erwärmung leichter ausdehnen, wodurch es zu geringeren Wärmespannungen und Verformungen, insbesondere in den umliegenden Elementen des Kondensationsabdampfgehäuses kommt. Hierdurch wird das Aufhebeln der Flanschverbindung erschwert und damit Leckagebildung der Flanschverbindung vermieden. Das sich verjüngende Verbindungsstück 8 dient dabei als eine Art Scharnier das die Steifigkeit der Mantelfläche 6 aufweicht. Bei gleichen Schraubkräften und der gleichen Anzahl an Teilfugenschrauben kann damit eine deutlich erhöhte Flächenpressung in der Teilfugenebene erzielt werden. Hierdurch sind auch höhere Dampftemperaturen im Bereich der radialen Teilfuge 7 zulässig, wodurch der Wirkungsgrad der Dampfturbine gesteigert wird.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel reicht ein Teil der Niederdruckbeschaufelung 10 in das Kondensationsabdampfgehäuse 1 hinein. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Kondensationsabdampfgehäuses 1 kann trotz der dadurch erhöhten Dampfparametern die Dichtheit der Flanschverbindung gewährleistet werden.
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Das sich verjüngende Verbindungsstück 8 ist im Ausführungsbeispiel trichterförmig ausgebildet. Die trichterförmige Ausbildung, d.h. das geradlinige Ausbilden des Verbindungsstücks 8 ist herstellungstechnisch besonders einfach zu realisieren. Grundsätzlich sind aber auch andere Geometrien, insbesondere das bogenförmige Ausbilden des sich verjüngenden Verbindungsstückes, ähnlich wie bei Druckgefäßen, denkbar (siehe hierzu 3).
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Das sich verjüngende Verbindungsstück 8 kann auf einfache Weise, insbesondere bei einer Blechkonstruktion des Kondensationsabdampfgehäuses 1, zwischen der Stirnfläche 5 und der Mantelfläche 6 eingeschweißt werden. Das Verbindungsstück 8 kann dabei einstückig oder aus einzelnen Kreissegmenten hergestellt sein. Grundsätzlich ist es auch denkbar, das Kondensationsabdampfgehäuse 1 aus einem Faserverbundwerkstoff, bspw. GFK, auszubilden. In diesem Fall kann das gesamte Abdampfgehäuse einstückig laminiert werden. Hierdurch entfällt ein Zusammenfügen der Stirnfläche 5 und der Mantelfläche 6.
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2 zeigt die Dampfturbine aus 1 im Radialschnitt. Die Verjüngung des Verbindungstückes 8 sollte vorzugsweise zwischen 5 und 20 %, besonders bevorzugt zwischen 5 und 10 % des Außenradiuses R der Mantelfläche 6 des Kondensationsabdampfgehäuses 1 betragen. Eine zu geringe Verjüngung würde den Scharniereffekt nicht bewerkstelligen und damit weiterhin zu erhöhten Wärmespannungen und Verformungen an den umliegenden Elementen des Kondensationsabdampfgehäuses 1 führen. Bei einer zu großen Verjüngung käme es dagegen zu einer Verringerung der Gesamtsteifigkeit des Kondensationsabdampfgehäuses 1, was ebenfalls zu verhindern gilt.
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Aus 2 wird deutlich, dass lediglich das Oberteil des Kondensationsabdampfgehäuses 1 als bogenförmige Mantelfläche 6 ausgebildet ist und sich ausschließlich im oberen Gehäuseteil das halbringförmige, sich verjüngende Verbindungstück 8 angeordnet ist. Eine solche Ausgestaltung des Kondensationsabdampfgehäuses 1 ermöglicht es, Wärmespannungen zu reduzieren, sodass der Aufhebelmechanismus der Flanschverbindung reduziert wird. Grundsätzlich wären auch Konstruktionen und Ausgestaltungen denkbar, bei denen Ober- und Unterteil des Kondensationsabdampfgehäuses 1 bogenförmig ausgebildet sind.
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Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Kondensationsabdampfgehäuses die Dichtigkeit des Kondensationsabdampfgehäuses in der horizontalen als auch in der vertikalen Teilfuge, welche die Verbindung zwischen dem Turbinenaußengehäuse 2 und dem Kondensationsabdampfgehäuse 1 herstellt, wesentlich verbessert werden kann.
