DE3310396A1

DE3310396A1 - Md-dampfturbine in einflutiger bauweise fuer eine hochtemperaturdampfturbinenanlage mit zwischenueberhitzung

Info

Publication number: DE3310396A1
Application number: DE3310396A
Authority: DE
Inventors: Gerhard 1000 Berlin Exner; Klaus Dr.-Ing. Raschke
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1983-03-18
Filing date: 1983-03-18
Publication date: 1984-09-20
Also published as: EP0122872A1; DE3462536D1; US4551063A; EP0122872B1

Description

KRAFTWERK UNION AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen 433 Mülheim/Ruhr VPA 83 P 6008 DE

MD-Dampfturbine in einflutiger Bauweise für eine Hochtemperaturdampfturbinenanlago mit Z\i/ischenüberhitzung

Die Erfindung bezieht sich auf eine MD-D»mpfturbine in einflutiger Bauweise für eine Hochtemperaturdampfturbinenanlage mit Zwischenüberhitzung, der über Bohrungen im Gehäuse des Einströmteiles Kühldampf zu einem oberhalb der Läuferoberfläche liegenden Ringraum zugeleitet wird, der von einem Führungsblech begrenzt ist, das auf der einen Seite vor der Stopfbuchse und auf der anderen Seite an einem die Wellendichtung bildenden Ansatz der ersten Leitschaufeln endet, wobei die Laufschaufeln, zumindest der ersten Reihen, mit über der Läuferoberfläche liegenden Axialkanälen versehen sind, welche die weiteren Ringräume zwischen der Wellendichtung der benachbarten Leitschaufeln und der Läuferoberfläche miteinander verbinden.

Eine derartige MD-Dampfturbine, der zur Läuferkühlung Kühldampf zugeführt wird, der dem Zwischenüberhitzer vor der Wiedererhitzung abgenommen wird, ist aus

W. Traupel "Thermische Turbomaschinen", Band II., 2. Auflage 1968, Seiten 341/342 bekannt. Der Kühldampf wird bei der bekannten MD-Dampfturbine in einen benachbart zur Stopfbuchse liegenden Ringraum, gebildet durch Aussparungen im Gehäuse des Einströmteiles und des Läufers, eingeleitet und auch zum Teil als Sperrdampf ausgenutzt.

Das eng an der Läuferoberfläche entlanggeführte Führungsblech trennt vom freien Einströmraum für den Arbeitsdampf im Einströmteil einen Bereich ab und leitet darin einen Teil des Kühldampfes an der Läuferoberfläche entlang bis unter dem die Wellendichtung bildenden Ansatz der ersten Leitschaufel, an dem das Führungsblech endet. Somit gelangt der Kühldampf in den Bereich der ersten Schaufelreihen. Allerdings findet durch die dünne Wand

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des Führungsbleches hindurch bereits vom einströmenden Dampf, der mit 583° C angenähert 150° C heißer ist als der Kühldampf, eine Wärmeabgabe an den Kühldampf statt, so daß sich dieser bereits erwärmt, bevor er die Schaufeln erreicht. Die Schaufelfüße der ersten beiden Laufschaufelreihen sind mit oberhalb der Läuferoberfläche liegenden Axialkanälen versehen, so daß der Kühldampf bis in den Bereich der dritten Leitschaufel eine etu/as kühlere Unterströmung bildet und an diesen hochbeanspruchten Stellen die Temperaturen der Läuferoberfläche herabgesetzt u/erden. Dadurch kann auch bei Hochtemperaturdampfturbinen für den Läufer ein ferritischer Werkstoff verwendet werden anstelle des für die Wärmedehnungen und die Fertigung' ungünstigen austenitischen Stahls.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer MD-Dampfturbine der eingangs beschriebenen Art die Wärmebeanspruchung des Läufers an den ersten Schaufelreihen durch den zusätzlichen Kühldampf noch zu verringern, um den Vorteil einer Verwendung von ferritischen oder martensitischen Werkstoffen auch bei noch höheren Frischdampf temperaturen beizubehalten.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung die MD-Dampfturbine so ausgebildet, daß die Wand des Einströmteiles bis zur Wellendichtung der ersten Leitschaufel geführt ist und auf ihrer dem Läufer zugewandten Oberfläche das Führungsblech trägt, daß der Läuferkörper axiale Kühlbohrungen enthält, die, zumindest bei den ersten Reihen, eine Verbindung zwischen den Schaufelfüßen benachbarter Laufschaufeln herstellen, und daß an jeder Laufschaufel dieser Reihen in den Schaufelfüßen Verbindungskanäle vorgesehen sind, die in die Axialkanäle münden.

Durch die Dicke der Wand des Einströmteiles, die zwischen der Läuferoberfläche und dem Einströmkanal' des zwischen-

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überhitzten Arbeitsdampfes liegt, und durch die zwischen dem Führungsblech und der Wand verbleibenden, von Luft bzu/. Dampf gefüllten Zwischenräume wird ein Wärmeübergang zum Kühldampf erschwert, der in den Ringraum zwischen dem Führungsblech und der Läuferoberfläche eingeleitet wird. Der in dem eng gehaltenen Ringraum unter dem Führungsblech mit relativ großer Geschwindigkeit strömende kalte Dampf beaufschlagt die gesamte Läuferoberfläche zwischen der Stopfbuchse und der Wellendichtung der ersten Leitschaufelreihe wie mit einem Schleier. Dieser wird durch den engen Abstand des FührungsbJeches zur Läuferoberfläche in Rotation versetzt, so daß der Kühldampf durch den erhaltenen Drall leicht in die axialen Kühlbohrungen im Läuferkörper eintritt, welche die Schaufelfüße der ersten Laufschaufelreihen untereinander verbinden. Im Bereich der Schaufelfüße verteilt sich der Kühldampf wieder ringförmig entlang der Laufschaufelnut um den gesamten Umfang. Durch die radial gerichteten Verbindungskanäle in jeder Laufschaufel wird jede einzelne Laufschaufel dieser Reihen und der benachbarte Läuferbereich wirkungsvoll gekühlt, wobei der Kühldampf in die Axialkanäle übergeleitet wird und sich dort mit dem von der ersten Wellendichtung herkommenden Kühldampfanteil vermischt. Man erhält auf diese Weise sowohl eine gute Kühlung der Läuferoberfläche, als auch eine gute Kühlung der Schaufelfüße der ersten Laufschaufelreihen und des dortigen Läuferbereiches, und der Kühldampf wird über die Axialkanäle unter den Wellendichtungen allmählich mit dem aktiven Dampfstrom vermischt, ohne daß sich eine störende und den Wirkungsgrad beeinträchtigende Sekundärströmung ausbilden kann.

Auf diesie Weise werden trotz der hohen Temperatur des Arbeitsdampfes im Einströmteil die sich auf der Läuferoberfläche und an den Laufschaufelfüße der hochbeanspruchten ersten Reihen einstellenden Temperaturen soweit herabgesetzt, daß sich die Verwendung von hochwärmebeständigem austenitischem Stahl für den Läufer erübrigt.

VPA 83 P 6008 DE Schwierigkeiten hinsichtlich der bei Unterschiedlichen Werkstoffen im Gehäuse gegebenen unterschiedlichein Dehnungen infolge der Wärmespiele werden somit vermieden. Auch die Steifigkeit des Läufers verbessert sich durch die über einen relativ weiten Bereich des Läufers (von der dritten Reihe der Laufschaufeln bis zum Austritt der Stopfbuchse) gegebene niedrige Temperatur. Daraus resultiert eine günstigere Lage der biegekritischen Drehzahl bei einem dickeren Läuferkörper, als er bei Verwendung von austenitischem Stahl möglich wäre. Durch die verbesserte Läuferstabilität (Spaltanregung und Ölfilmanregung) läßt sich der Beschaufelungsaufbau auch bei einer Kammerturbine wirkungsgradmäßig günstiger gestalten.

Diese besondere Kühlung des MD-Dampfturbinenteiles kann sowohl bei stationären Anlagen als auch bei Schiffstur-, binen eingesetzt werden, um den Prozeßwirkungsgrad mit Hilfe höherer Frischdampftemperaturen zu verbessern. Gerade bei Schiffsturbinen als hochtourige und kleine Maschinen mit relativ hohen Laständerungsgeschwindigkeiten und Drehzahländerungen ist es wegen der höheren Sicherheit besonders vorteilhaft, den Läufer zu kühlen und damit in ferritischen oder martensitischen Stahl statt in austenitischen auszuführen, um im Bereich der zulässigen Wärmebeanspruchungen zu bleiben.

Die Axiaikänäle und die Verbindungskanäle in den Schaufelfüßen der Laufschaufeln können jeweils als Bohrungen ausgeführt werden. Es ist aber zweckmäßig, diese als seitliche, offene Aussparungen auszubilden, weil sie dann in einfacher Weise durch Ausfräsen hergestellt werden können. Weiterhin empfiehlt es sich, die Bohrungen für die Einleitung des Kühldampfes in den unteren Teilfugenflanschen von Gehäuse und Einströmteil anzuordnen, da die

.35 Leitungen beim Aufdecken des Gehäuseoberteiles nicht aufgetrennt werden müssen.

Im folgenden sei die Erfindung noch anhand des in den

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Fig. 1 bis 4 in unterschiedlichen Maßstäben dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. 1 und zeigen jeweils Teile eines Längsschnittes einer gemäß der Erfindung ausgebildeten MD-Dampfturbine. In Fig. 3 ist eine Ansicht auf die erste Laufschaufelreihe dieser MD-Dampfturbine teilweise dargestellt. Weiterhin zeigt die Fig. 4 einen Teil eines Radialschnittes durch die Flansche des Gehäuses und des Einströmteiles.

IQ Die MD-Dampfturbine einer Hochtemperaturdampfturbinenanlage mit Zwischenüberhitzung, die als Schiffsturbine eingesetzt wird, ist in einflutiger Kammerbauweise ausgebildet. Das Gehäuse 1 mit dem Einströmteil 2 umgibt den als Trommelläufer ausgebildeten Läufer 3. Dieser trägt sechs Reihen von Laufschaufeln 4, vor denen jeweils ein im Gehäuse 1 befestigter Leitschaufelboden 5 liegt. Jeder Leitschaufelboden 5 ist auf der der Läuferoberfläche 6 zugewandten Seite mit einer Wellendichtung 7 versehen, die sich bis zur benachbarten Laufschaufel 4 erstreckt und somit jeweils einen Ringraum 8 oberhalb der Läuferoberfläche 6 begrenzt. Die Laufschaufeln 4 sind mit ihren Schaufelfüßen 9 in Nuten 10 des Läufers 3 eingesetzt.

Die Wand 11 des Einströmteiles 2 ist bis zur Wellendichtung 7 des Leitschaufelbodens 5 der ersten Reihe geführt. Auf der anderen Seite des Einströmteiles 2 liegt die Stopfbuchse 12.

Bei einer Hochtemperaturdampfturbinenanlage hat der der MD-Dampfturbine vom Zwischenüberhitzer zugeführte Arbeitsdampf eine sehr hohe Temperatur, z. B. 600⁰C. Dadurch werden die mit dem heißen Dampf zuerst in Berührung gelangenden Teil", w^e die Wand 11 d^s Einströmteiles 2, die ersten Leitschaufelböden 5 und die ersten Reihen der Laufschaufeln 4 undder dortige Läuferbereich sehr stark beansprucht. Damit die dort auftretenden Erwärmungen in zulässiger Weise noch mit ferritischen oder martensitischen

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Werkstoffen aufgenommen werden können, ist dort eine gesonderte Kühlung mit Kuhldampf vorgesehen, der nach Austritt aus der Hochdruckturbine vor dem Zwischenüberhitzer entnommen wird. Dieser Kühldampf wird über ein nicht dargestelltes regelbares Reduzierventil über Bohrungen 13, äie in den unteren Teilfugenflanschen 14 des Gehäuses 15 des unteren Einströmteiles 2 in einem Ringkanal 16 eingeleitet, der zum Läufer 3 hin offen ist. Das untere Gehäuse 15 und die Wand des Einströmteiles 2 tragen dort auf

j_0 ihrer dem Läufer 3 zugewandten Oberfläche 17 ein Führungsblech 18, das im Bereich des Ringkanals 16 Öffnungen 19 für den Durchtritt des Kühldampfes aufweist. Dieses Führungsblech 18 erstreckt sich auf der einen Seite bis vor die Stopfbuchse 12 und endet auf der anderen Seite an der Wellendichtung 7 des ersten Leitschaufelbodens 5.

Es begrenzt einen oberhalb der Läuferoberfläche 6 liegenden Ringraum 20.

Der über den Ringkanal 16 in den Ringraum 20 einströmende Kühldampf teilt sich dort auf in den eigentlichen Kühldampfstrom zur Kühlung der aktiven Läuferpartie und in den Sperrdampf für die Stopfbuchse 12. Durch den Ringkanal 16 ist der Kühldampf über den gesamten Gehäuse- bzw. Läuferumfang verteilt worden. Er bildet in dem Ringraum 20 einen kalten Dampfschleier, der über der Läuferoberfläche 6 strömt. Da das Führungsblech 18 bis dicht an die Läuferoberfläche 6 herangeführt ist, wird der Kühldampf im Ringraum 20 in Umfangsrichtung beschleunigt und in Rotation versetzt.,,

Der Läufer 3 der MD-Dampfturbine enthält, gleichmäßig über den Umfang verteilt, axiale Kühlbohrungen 21, welche in der Höhe der Schaufelfüße 9 der Laufschaufeln 4 liegen und deren beide erste Reihen miteinander verbinden. In diesen beiden Reihen sind die Schaufelfüße 9 jeder Laufschaufel 4 mit seitlich liegenden, radial gerichteten Aussparungen 22 versehen, die in oberhalb der Läuferoberfläche 6 liegende Axialkanäle 23 münden, welche die Ringräume 8 zwischen der Wellendichtung 7 der benachbarten

VPA 83 P 6008 DE Leitschaufelböden 5 und der Läuferoberfläche 6 miteinander verbinden. Diese Axialkanäle 23 übernehmen außerdem noch die Aufgabe der bei einer Kammerturbine üblichen Ausgleichsbohrungen. Deshalb haben auch die anderen Reihen entsprechende Axialkanäle 24 in den Laufschaufeln A.

Von den im Ringraum 20 vor dem ersten Leitschaufelboden 5 befindlichen Kühldampf tritt ein Teil in die Ringräume 8 unterhalb der Wellendichtung 7 der Leitschaufelböden 5 ein und strömt an der Läuferoberfläche 6 entlang. Ein anderer Teil des Kühldampfes tritt, begünstigt durch den in ihm vorhandenen Drall, in die axialen Kühlbohrungen 21 ein und wird den Sehauf elf üßen 9 der beiden ersten Reihen der Laufschaufeln 4 zugeführt. In jeder dieser beiden ersten Reihen der Laufschaufeln 4 verteilt sich der Kühldampf entlang der Läufernuten 10 jeweils um den gesamten Umfang des Läufers 3 und tritt in die in jeder Laufschaufel 4 vorhandenen, axial gerichteten Verbindungskanäle 22 über, von denen aus der Kühldampf in die Axialkanäle strömt und sich dort wieder mit dem anderen Kühldampfanteil vereint. Neben der Kühlung der Läuferoberfläche 6 erzielt man so auch noch zusätzlich eine Kühlung der Schaufelfüße der Laufschaufeln 4 und des benachbarten Läuferteils.

Die Aufteilung der Kühldampfströme hängt von der Dimensionierung der Querschnitte der axialen Kühlbohrungen 21 und der Wellendichtung 7 sowie von deren Fertigungsgenauigkeit ab. Die Querschnitte und Druckverhältnisse sind so gewählt, daß die Kühlwirkung nach der zweiten Reihe der Laufschaufeln 4 nur noch gering ist und eine Durchmischung mit dem aktiven Arbeitsdampf stattgefunden hat, ohne daß der in den Ringräumen 8 erfolgende Übergang des Kühldampfes in den Arbeitsdampf eine den Wirkungsgrad benachteiligende Sekundärströmung erzeugt. Mit einer derartig aufgebauten Kühlung der hochbeanspruchten aktiven Teile des Läufers 3 der MD-Dampfturbine erreicht man einen ausreichend hohen Kühleffekt bei geringen Kühldampfmengen an den am stärksten beanspruchten Stellen, so daß die

·. - VPA 83 P 6008 DE Grenze der Warmfestigkeit des für den Läufer 5 verwendeten ferritischen oder martensitischen Stahls nicht erreicht u/ird.

4 Patentansprüche
4 Figuren ,

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Claims

Patentansprüche VPA 83 P 6Ü08 DE

1.]MD-Dampfturbine in einflutiger Bauweise für eine Tfochtemperaturdampf turbinenanlage mit Zwischenüberhitzung, der über Bohrungen im Gehäuse des Einströmteiles Kühldampf zu einem oberhalb der Läuferoberfläche liegenden Ringraum zugeleitet wird, der von einem Führungsblech begrenzt ist, das auf der einen Seite vor der Stopfbuchse und auf der anderen Seite an einem die Wellendichtung bildenden Ansatz der ersten Leitschaufeln endet, wobei die Laufschaufeln, zumindest der ersten Reihen, mit über der Läuferoberfläche liegenden Axialkanälen versehen sind, welche die weiteren Ringräume zwischen der Wellendichtung der benachbarten Leitschaufeln und der Läuferoberfläche miteinander verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand (11) des Einströmteiles (2) bis zur Wellendichtung (7) der ersten Leitschaufeln (5) geführt ist und auf ihrer dem Läufer (3) zugewandten Oberfläche (17) das Führungsblech (18) trägt, daß der Läuferkörper (3) axiale Kühlbohrungen (21) enthält, die, zumindest bei den ersten Reihen, eine Verbindung zwischen den Schaufelfüßen (9) benachbarter Laufschaufeln (4) herstellen, und daß an jeder Laufschaufel (4) dieser Reihen in den Schaufelfüßen (9) radial gerichtete Verbindungskanäle (22) vorgesehen sind, die in die Axialkanäle (23) münden.

2. MD-Dampfturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Bohrungen (13) für die Einleitung des Kühldampfes in den unteren Teilfugenflansehen (14) des Gehäuses (15) des Einströmteiles (12) angeordnet sind.

3. MD-Dampfturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialkanäle (23) und die Verbindungskanäle (22) in den Schaufelfüßen

(9) als seitliche, offene Aussparungen ausgebildet sind.

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4. MD-Dampfturbine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dad u r ch gekennzeichnet, daG die MD-Dampfturbine als Kammerturbine ausgebildet ist.