DE3008973A1

DE3008973A1 - Dampfturbine

Info

Publication number: DE3008973A1
Application number: DE19803008973
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Paul 6050 Offenbach Morcov
Original assignee: MORCOV DIPL ING PAUL
Current assignee: MORCOV DIPL ING PAUL
Priority date: 1980-03-08
Filing date: 1980-03-08
Publication date: 1981-09-24
Also published as: EP0035757A1; ATE17774T1; EP0035757B1; DE3173593D1

Description

PATENTANWALT

. HELMUT KATSCHER ⁶¹⁰⁰ DARMSTADT

BismarckstraBe 20 Telefon: (0 8151) 2 6811 privat: (0 61 03) 819 27 Telex: 419 597 advo d

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Deutsches Patentamt
8000 München 2

Dipl.-Ing. Paul Morcov, Georg-Büchner-Weg 12, 6o5o Offenbach a.M. Dampfturbine

Die Erfindung betrifft eine Dampfturbine mit geschlossenem Kreislauf mit mindestens einem in einem geschlossenen Turbinengehäuse angeordneten Laufrad.

Die Dampfturbine stellt seit etwa einem Jahrhundert die wichtigste Antriebsmaschine in Värmelcraftwerken dar; sie hat erhebliche Bedeutung erlangt als Schiffsantrieb, zum Antrieb von Pumpen, Kompressoren, Stromgeneratoren usw. Während in den ersten 50 Jahren dieses Zeitabschnitts eine rasche Entwicklung der Dampfturbine stattfand, zeigt die technische Literatur, daß in den vergangenen 50 Jahren die Entwicklung der Dampfturbine nicht mehr durch einschneidende Weiterentwicklungen gekennzeichnet ist.

Von vielen Autoren wird die folgende systematische Einteilung der Dampfturbinen gewählt:

a) Bei der Aktionsturbine wird das gesamte Wärmegefälle des Dampfes in den Düsen des gehäusefesten Leitrades umgesetzt;

b) bei der Reaktionsturbine erfolgt die Umsetzung des Wärmegefälles im Laufrad;

c) bei der Gegendruckturbine verläßt der Dampf die Turbine

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mit einem Druck, der über dem Atmosphärendruck liegt; d) der Abdampf der !Condensationsturbine wird einem Kondensator zugeführt, in dem Unterdrück herrscht.

Es gibt auch Zwischenformen der Aktionsturbine und der Reaktionsturbine, wobei das ¥ärmegefalle teilweise im Laufrad und teilweise im Leitrad umgesetzt wird.

Die erfindungsgemäße Dampfturbine ist als Gegendruck-Reaktionsturbine einzuordnen, unterscheidet sich aber in wesentlichen Merkmalen von der herkömmlichen Turbinen dieser Gruppe.

Bei jeder Dampfturbinen-Bauart ist es ein wesentliches Ziel, die Verluste gering zu halten, um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen. Einen wesentlichen Anteil der bei herkömmlichen Dampfturbinen auftretenden Verlusten haben die sogenannten Spaltverluste, die im Spalt zwischen dem Laufrad und dem Leitrad bzw. am Umfang des Laufrades auftreten. Die Spaltverluste herkömmlicher Dampfturbinen können in der Größenordnung von 7 bis 8 ^a angenommen werden.

Weitere Verluste treten im Bereich von Dampfdichtungen auf, beispielsweise an den Wellendichtungen, an einem Schubausgleichskolben usw. Abhängig von der Größe der Turbine müssen diese Verluste üblicherweise mit etwa 16 bis 22 $ angenommen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Dampfturbine der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der diese Verluste weitgehend vermieden oder zumindest stark herabgesetzt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Laufrad an seinem Umfang mehrere, angenähert tangential angeordnete, für überkritisches Gefälle ausgelegte Düsen aufweist, die mit Hohlräumen im Laufrad zur Dampfzufuhr in Ver-

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bindung stehen, und daß das geschlossene Turbinengehäuse einen in den weiteren Dampfkreislauf führenden Dampfaustritt aufweist.

Der thermische ¥irkungsgrad dieser Dampfturbine ist wesentlich höher als bei herkömmlichen Konstruktionen, weil Spaltverluste und DichtungsVerluste weitgehend vermieden oder zumindest stark herabgesetzt werden, so daß nur Reibungs-, Isolierungs- und Strömungsverluste zu berücksichtigen sind, die zusammen nicht mehr als h bis 5 $ bei einer Dampfturbine mittlerer Leistung betragen. Gegenüber einem durchschnittlichen ¥irkungsgrad von 78 $& einer herkömmlichen Gegendruckturbine und von 8O ^ einer herkömmlichen Kondensationsturbine bedeutet dies eine Wirkungsgradverbesserung um 12 bis 15 fo. Außerdem ist die Konstruktion der erfindungsgemäßen Dampfturbine durch den ¥egfall des Leitrades und der Schaufeln des Laufrades einfacher und robuster als herkömmliche Konstruktionen, so daß nicht nur die Herstellung einfacher und billiger ist, sondern auch die Betriebssicherheit erhöht wird, weil Schaden infolge mechanischer Überbeanspruchung der Schaufeln ausgeschlossen sind.

Neben dem Einsatz in Wärmekraftwerken ist die erfindungsgemäße Dampfturbine auch für den Antrieb von Schiffen, Lokomotiven und anderen Fahrzeugen geeignet.

Die Verwendung von für überkritisches Gefälle ausgelegten Düsen (sogenannten Lavaldüsen) ist im Dampfturbinenbau an sich bekannt. Diese Düsen, deren kleinster Querschnitt (sogenannter kritischer Querschnitt) im mittleren Düsenbereich liegt, ermöglicht die Umsetzung eines großen Värmegefalles, weil im engsten Querschnitt der Dampf mit der Schallgeschwindigkeit strömt, die den Zustandswerten an dieser Stelle zugeordnet ist.

In Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, daß die Dampfturbine in an sich bekannter Weise mehrstufig ausgeführt ist und jeweils der Dampfaustritt einer Stufe mit den

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Hohlräumen im Laufrad der folgenden Stufe verbunden ist. Bei der erfindungsgemäßen Dampfturbine kann diese mehrstufige Ausführung, die zur Ausnutzung des gesamten zur Verfügung stehenden Wärmegefälles erforderlich ist, in konstruktiv sehr einfacher Feise, nämlich ohne Leiträder verwirklicht werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der den Dampfaustritt der ggf. letzten Stufe verlassende Dampf im geschlossenen Kreislauf über einen Druckregenerator und wieder zum Laufrad der ggf. ersten Stufe geführt wird. Durch die Verwendung eines derartigen Druckregenerators, wie er beispielsweise aus der DE-OS 26 13 418 bekannt ist, wird ein besonders hoher ¥irkungsgrad erreicht, weil der Dampf im geschlossenen Kreislauf nicht kondensiert und das Wasser wieder verdampft werden müßte. Stattdessen bleibt der Dampf in der Dampfphase; durch Wärmezufuhr wird sein Druck auf den am Turbineneinlaß erwünschten Wert erhöht.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgedankens sind die am Umfang des Laufrades aufeinanderfolgenden Düsen abwechselnd axial nach beiden Seiten aus der Laufradebene leicht abgewinkelt. Dadurch wird erreicht, daß der aus einer Düse austretende Dampfstrahl nicht auf die nachfolgende Düse aufprallt, sondern frei an dieser vorbeiströmt. Trotz dieser axialen Abwinklung der einzelnen Düsen entsteht keine resultierende Axialkraft, die einen Axialkraftausgleich erforderlich machen würde, weil sich die von den abwechselnd nach beiden Seiten abgewinkelten Düsen erzeugten Axialkräfte am Laufrad gegenseitig aufheben.

Zweckmäßigerweise bestehen die Hohlräume im Laufrad aus einem zentralen Hohlraum im Wellenbereich und mehreren von dort

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jeweils zu einer Düse führenden Rohren. Damit ist in einfacher Weise die Zufuhr des Dampfes zu jedem einzelnen Laufrad auch bei einer mehrstufigen Ausführung möglich.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Dampfturbine ,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie ΙΙ-ΣΙ in Fig. 1 und Fig. 3 eine Teil-Abwicklung des Laufradumfangs.

In einem Turbinengehäuse 1 ist eine Läuferwelle 2 an ihren Enden in Lagern 3» die vorzugsweise als Wälzlager ausgeführt sind, drehbar gelagert. Auf der Welle 2 ist eine Büchse h befestigt, die zwischen sich und der Welle 2 axial nebeneinander mehrere abgeteilte Ringräume 5 einschließt.

Auf der Büchse k sind mehrere scheibenförmige Laufräder 6 angebracht, die jeweils mehrere radiale Rohre 7 aufweisen, die einerseits über Bohrungen 8 mit den Ringräumen 5 in Verbindung stehen und an ihrem äußeren Ende in Umfangsrichtung abgewinkelt und dort jeweils mit einer Düse 9 (Fig.2) verbunden sind, die als sogenannte Lavaldüse mit einem Querschnitt ausgeführt sind, der sich vom Düseneintritt bis zu einem engsten Querschnitt verringert und zum Düsenaustritt hin wieder erweitert.

Die Laufräder 6 sind jeweils in einer Gehäusekammer 10 des Turbinengehäuses 1 frei drehbar angeordnet. Jede Gehäusekammer 10 weist Dampfaustrittsöffnungen 11 auf, die jeweils über eine Zwischenkammer 12, mehrere radiale Gehäusebohrungen 13 und mehrere radiale Bohrungen 14 der Büchse k mit einem der Ringräume 5 in Verbindung steht. Diese Öffnungen, durch die der Dampf strömt,können auch in der Art von Lavaldüsen ausgeführt sein, wie in der Zeichnung dargestellt, um die Strömungsverluste gering zu

halten. ,

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In Fig. 1 ist eine mehrstufige Dampfturbine dargestellt. Der Dampf gelangt durch, eine Dampf zuführleitung 15 durch eine Gehäusebohrung 16 und eine radiale Bohrung 17 der Büchse k in den Ringraum 5 der ersten Stufe. Nach dem Durchströmen der Düsen 9 des Laufrads 6 der ersten Stufe gelangt der Dampf durch die Dampfaustrittsöffnungen 11 in den Ringraum 5 der zweiten Stufe usw., bis der Dampf durch die Dampfaustrittsöffnung 11 der letzten Stufe über eine Leitung 18 zu einem in Fig. 1 nur schema tisch angedeuteten Druckregenerator 19 und von dort über eine Leitung 20 und einen Regler 21 im geschlossenen Kreislauf wieder in die Dampfzuführleitung I5 gelangt.

Aus Fig. 3 erkennt man, daß die einzelnen Düsen 9 jeweils in einem flachen Winkel zur Laufradebene angeordnet sind, so daß die aus den Düsen 9 austretenden Dampfstrahlen nicht auf die jeweils benachbarte Düse 9 treffen. Die Düsen 9 sind an Stegblechen 22 angeschraubt bzw. mit diesen verschweißt. Auch die Rohre 7 sind mit diesen Stegblechen 22 verschweißt, so daß die einzelnen Laufräder 6 jeweils ein scheibenförmiges Bauteil bilden.

Die Abdichtung der einzelnen Turbinenstufen gegeneinander und gegen die Atmosphäre erfolgt durch in Fig. 1 nur schematisch angedeutete Stopfbuchsen 23 oder ähnliche Dichtungen.

Da sich der Dampf beim Durchströmen der einzelnen Stufen zunehmend ausdehnt, haben die Rohre 7 aufeinanderfolgender Turbinenstufen unter Berücksichtigung der Kontinuitätsgleichung zunehmend größere Durchmesser.

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e e r s e ite

Claims

Pa tentansprüche

MJ Dampfturbine mit geschlossenem Kreislauf mit mindestens einem in einem geschlossenen Turbinengehäuse angeordneten Laufrad, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad (6) an seinem Umfang mehrere, angenähert tangential angeordnete, für überkritisches Gefalle ausgelegte Düsen (9) aufweist, die mit Hohlräumen (5, 7) im Laufrad (6) zur Dampfzufuhr in Verbindung stehen, und daß das geschlossene Turbinengehäuse (ίο) einen in den weiteren Dampfkreislauf führenden Dampfaustritt (11) aufweist.
2. Dampfturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfturbine mehrstufig ausgeführt ist und jeweils der Dampfaustritt (11) einer Stufe mit den Hohlräumen (5, 7) im Laufrad (6) der folgenden Stufe verbunden ist.

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3·. Dampfturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der den Dampfaustritt (11) der gegebenenfalls letzten Stufe verlassende Dampf im geschlossenen Kreislauf über einen Druckregenerator (19) und wieder zum Laufrad (6) der ggf. ersten Stufe geführt wird.
4. Dampfturbine nach Anspruch 1₉ dadurch gekennzeichnet, daß die am Umfang des Laufrades (6) aufeinanderfolgenden Düsen (9) abwechselnd axial nach beiden Seiten aus der Laufradebene leicht abgewinkelt sind.
5. Dampfturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume im Laufrad (6) für jede Turbinenstufe jeweils einen gesonderten zentralen Hohlraum (5) im Wellenbereich und mehrere, von dort jeweils zu einer Düse (9) führende Rohre (7) aufweisen.

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