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Einrichtung zur Kühlung der Rotoren von Dampfturbinen
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Kühlung der Rotoren
von Dampfturbinen, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine solche Einrichtung ist durch die CH-PS 430 757 in einer Ausführung
für zweiflutige Axialturbinen bekannt und wird im folgenden anhand der Fig. 1. näher
erläutert.
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In einer anderen Ausführung ist eine solche gattungsgemäße Einrichtung
durch die US-PS 3 817 654 bekannt und grundsätzlich sowohl für zwei- als auch einflutige
Turbinen der Axialbauart geeignet, wobei diese zweite bekannte Ausführungsform im
Prinzip im folgenden anhand der Fig. 2 erläutert werden wird.
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Eine dritte Ausführung der gattungsgemäßen Einrichtung ist in der
DE-OS 32 09 506 bereits vorgeschlagen worden; sie wird im Prinzip im folgenden anhand
der Fig. 3 und Fig. 4 erläutert.
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Zur Erzielung möglichst guter Wirkungsgrade ist man bei Dampfturbinen
im allgemeinen bestrebt, die Temperatur des Arbeitsmediums im Frischdampf-Einströmbereich
so hoch als möglich zu halten. Damit trotz hoher Frischdampftemperatur die Grenzen
der zulässigen Temperaturbeanspruchung des Turbinen-, insb. Wellenwerkstoffs eingehalten
werden, ist es bekannt, die Außenoberfläche der vom Frischdampf angeströmten Wellenpartie
zu kühlen,
wobei das Hochtemperatur-Arbeitsmedium zusammen mit einem
relativ kühleren Anteil des Arbeitsmediums einströmt. Diese, eingangs an erster
Stelle erwähnte bekannte Kühleinrichtung ist in ihrem Aufbau relativ aufwendig.
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Es wäre wünschenswert, eine einfache aufgebaute Einrichtung zur Kühlung
der Rotorwellenoberflächen zu schaffen, die außerdem thermodynamisch günstiger arbeiten
könnte. Bei der bekannten Einrichtung bereitet es Schwierigkeiten bzw. ist nicht
gewährleistet, daß Druck, Temperatur und Geschwindigkeit des Kühldampf es den von
der ersten Beschaufelungsstufe abverlangten Werten entsprechen. Der Kühldampf mischt
sich innerhalb dieser ersten Stufe mit dem Frischdampf und reduziert dessen wirksames
Gefälle.
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Im folgenden werden zunächst die beiden bekannten Wellenkühleinrichtungen
anhand der Fig. 1 und 2, die bereits vorgeschlagene Einrichtung anhand der Fig.
3 und 4 und anschließend drei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Fig.
5 bis 11 erläutert, wobei im einzelnen in vereinfachter, teils schematischer Darstellung
zeigen: Fig. 1 den axialen Teilschnitt der Frischiampfeinströmpartie einer zweiflutigen
Dampfturbine der Axialbauart gemäß einer bekannten Ausführung A; Fig. 2 einen axialen
Dellschnitt durch die Dampfeinströmpartie einer einflutigen Dampfturtine der Axialbauart
gemäß einer anderen bekanten Ausführung B; Fig. 3 den axialen Teilschnitt der Srischdampf-Einströmpartie
einer Dampfturbine der Axialbauart gemäß einer bereits vorgeschlagenen Ausfuhrung
C;
Fig. 4 den Schnitt nach der Linie IV-IV aus Fig. 3; Fig. 5 in
entsprechender Darstellungsweise zu Fig. 1 bis 3 einen axialen Teilschnitt durch
die Frischdampf-Einströmpartie einer zweiflutigen Dampfturbine der Axialbauart in
einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 6 die Einzelheit VI aus Fig.
5, nämlich eine wärmebewegliche Verbindung zwischen Wellenschild und Leitschaufel-Deckband;
Fig. 7 einen Querschnitt gemäß der Schnittebene VIl-VIl aus Fig. 5; Fig. 8 die vergrößerte
Einzelheit VIII aus Fig. 7, und zwar im Ausschnitt ein Umfangsstück der Hilfs-Leit-
und -Lauf-Beschaufelung; Fig. 9 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung in
einem axialen Teilschnitt der Frischdampf-Einströmpartie der axialen Dampfturbine
mit Bypaß-Kanälen für den Kühldampf und Labyrinth-Dichtungsringen; Fig. 10 den Teilschnitt
gemäß Schnittebene X-X aus Fig. 9 und Fig. 11 ein drittes Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Kühlungseinrichtung, wiederum in einem axialen Teilschnitt der
Frischdampf-Einströmpartie einer einflutigen Dampfturbine der Axialbauart.
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Bei der Kühleinrichtung A nach Fig. 1 sind mit 11' die Leitschaufeln
der ersten Schaufelstufe und mit 12' die Leitschaufeln der axial nachgeschalteten
zweiten Schaufelstufe bezeichnet, 11 sind die Laufschaufeln der ersten Stufe, 12
diejenigen der zweiten Schaufelstufe. Die Leit-und Laufschaufeln 11', 12', 11, 12
der im Ausschnitt dargestellten Beschaufelung sind als entsprechende Leit-und Laufschaufelkränze
am Innenumfang eines Leitschaufelträgers 10' bzw. am Außenumfang des Rotors 10 abwechselnd
befestigt. Obgleich nicht näher bezeichnet, so können sowohl die Leit- als auch
die Laufschaufelkränze mit Deckbändern versehen sein.
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Ein Wellenschild 13, der auch als Wellenschirm bezeichnet werden könnte,
erstreckt sich in axialer Richtung zwischen den beiden Leitschaufelkränzen 11',
11' und unterteilt die Frischda'mpf-Einströmkammer in eine radial äußere Haupt-Einstamkammer
14, welcher der heiße Frischdampf zuströmt, und in eine an seinem Innenumfang gelegene
Neben-Einströmkammer, welche vom Wellenkühldampf über das Kühldampflrohr 17 beaufschlagt
wird. Der eine hohe Temperatur a fweisende Frischdampf fließt durch denraditen Frischdampf-Eihströnkanal
15 in die Haupt-Einströmkammer 14 und gabe sich dann entsprechend den Richtungspfeilen
16 u t er radial-axialer Umlenkung in zwei axiale Teilströmeauf, welche nacheinander
die einzelnen Beschaufelungsstuf;1en 11', 11; 12', 12 usw. durchströmen, wobei die
Antriebsenergie zur Drehung des Turbinenrotors auf diesen übertragen wird. Das Kühldampfrohr
17 erstreckt sich durch den Frischdampf-Einströmkanal 15radial durch die Haupt-EiFströmkammer
14 hindurch und ist, den Wellenschild 13 durchdringend, in einer Bohrung desselben
eingepaßt und befestigt, so daß der Kühldampf durch das Kühldampfrohr 17 hindurch
in die Neben-Einströmkammer strömen und innerhalb dieser aus der radialen
in
die axiale Strömungsrichtung gemäß Pfeilen 18 umgelenkt werden kann. Auf diese Weise
kann die Wellenoberfläche des Rotors 10 mittels des Kühl dampfes gekühlt werden,
und ein Frischdampf relativ hoher Temperatur kann der Haupt-Einströmkammer 14 zugeleitet
werden, ohne daß die Grenze der zulässigen Temperaturbeanspruchung des Rotorwerkstoffes
überschritten würden. Jedoch ergibt sich insofern ein Nachteil, als der Kühldampf
über eine gesonderte Rohrleitung zugeführt und ein Energieverlust in Kauf genommen
werden muß, weil das an sich zur Verfügung stehende Wärmegefälle des Frischdampfes
aufgrund der Mischung mit dem ühldampf reduziert wird und auch die thermodynamischen
Daten (Temperatur, Druck und Geschwindigkeit) des Kühldampfes normalerweise nicht
den gewünschten Daten des ersten Laufschaufelkranzes 11 entsprechen.
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In Fig. 2, welche die bekannte Ausführung B zeigt, bedeuten 20' einen
Leitschaufelträger und 20 den Turbinenrotor. Die Leitschaufel 21' der ersten Stufe
und die zugehörigen Laufschaufeln 21 sind als entsprechende Schaufelkränze dem Brischdampt-Einströmkanal
25 auf dessen einer Seite nachgeschaltet, wogegen die Leitschaufeln 22' und Laufschaufeln
22 der zweiten Schaufelstufe und entsprechend die nachfolgenden Schaufel stufen
auf der axial entgegtengesetzten Seite des Frischdampf-Einström kanals 25 angeordnet
sind. Der Frischdampf strömt durch den Einströmkanal 25 in Richtung des Pfeils 26,
er wird durch einen gewölbten Wellenschild 23 von der radialen in die axiale Strömungsrichtung
derart umgelenkt, daß er durch den Kranz der Leitschaufel 21' strömt und von da
zu dem Kranz der Laufschaufeln 21. Durch eine Wellendichtungsanordnung 24 zwischen
dem Außemumfang des Rotors 20 und dem Innenumfang des Leitschaufelträgers 20'
wird
der Dampf gezwungen, seine Richtung umzukehren gemäß Pfeil 27. Der in seinem Temperaturniveau
abgesenkte Dampf wird dann in Richtung auf die Schaufelkränze der zweiten Schaufelstufe
22', 22 gelenkt und von da durch die nachfolgenden (nicht dargestellten) Schaufel
stufen. Bei dieser bekannten Anordnung wird der noch heiße Frischdampf daran gehindert,
direkt auf die Wellenoberfläche des Rotors 20 zu strömen, jedoch verursacht der
relativ komplizierte Strömungspfad für den Kühldampf einen Druck-und damit Gefälleverlust.
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In Fig. 3 und Fig. 4, welche die bereits vorgeschlagene Einrichtung
C zeigt, tragen funktionsmäßig gleiche oder ähnliche Teile zu Fig. 1 auch die gleichen
Bezugszeichen und werden deshalb auch nicht näher beschrieben. Durch den Frischdampf-Einlaßkanal
des Gehäuses 10 bzw. Leitschaufelträgers strömt der Dampf in die Haupt-Einströmkammer
14. Eine Teilmenge des Frischdampfes wird über schräg zum Wellendurchmesser geneigte
Ejektor-Kanäle des Wellenschildes 33 in die Neben-Einströmkammer, und zwar in Drehrichtung
gemäß Pfeilen 35 geleitet. Die Ejektor-Kanäle 34 spannen zu den å jeweils durch
ihren Fußpunkt gelegten Wellenradien einen Neigungswinkel a auf.
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Dadurch wird dem Dampf eine Umfangsgeschwindigkeitskomponente aufgedrückt,
welche gleich ist wie oder sogar höher ist als die Umfangsgeschwindigkeit des Wellenaußenumfanges.
Die Dampftemperatur innerhalb der Neben-Einströmkammer 14' zwischen Innenumfang
des Wellenschildes 33 und Wellenaußenumfang des Rotors 10 wird um einen Betrag reduziert,
welcher dem Drosseleffekt der Kanäle 34 und der in Geschwindigkeit umgesetzten Druckdifferenz
entspricht, wodurch die Wellenoberfläche des Rotors 10 gekühlt wird.
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Der geschilderte Kühlvorgang wird jedoch begrenzt durch
die
Umfangsgeschwindigkeit der Wellenoberflächen des Rotors und kann nicht wesentlich
verbessert werden.
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Die Wirbelströmung dieses Kühl dampfes ist außerdem Reibungsverlusten
unterworfen, so daß ein Teil der kinetischen Energie in Wärme umgewandelt wird und
damit ein Teil der Temperaturabsenkung wieder rückgängig gemacht und der Kühl effekt
begrenzt wird.
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Es liegt die Aufgabe vor, die Einrichtung zur Kühlung der Rotoren
für Dampfturbinen der eingangs näher definierten Art so auszubilden, daß unter Vermeidung
der geschilderten Schwierigkeiten ein einfacherer Aufbau und eine verbesserte Kühlung
der Rotor-Wellenoberfläche erzielt werden kann, wobei der thermische Wirkungsgrad
verbessert sein soll. Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe mit einer Einrichtung
der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Art durch die im Kennzeichen des
Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den
Ansprüchen 2 bis 5 angegeben. Zu den mit der Erfindung erzielbaren Vorteilen sei
auf die nachfolgende Beschreibung von drei Ausführungsbeispielen der Erfindung verwiesen.
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Beim ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 bis 8 tragen zu Fig. 1
gleiche Teile die gleichen Bezugszeichen und werden deshalb auch nicht noch einmal
näher erläutert. Der ringförmige Wellenschild 43 erstreckt sich zwischen den beiden
Kränzen der Leitschaufeln 11' der ersten beiden Schaufelstufen und ist an diesen
gelagert.
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Er erstreckt sich über die axiale Länge der Haupt-Einströmkammer 14
und schirmt den Außenumfang bzw. die Oberfläche der Wellenpartie 400 des Rotors
40 gegenüber dem Frischdampf, der aus dem Frischdampf-Einströmkanal 15 zuströmt,
ab. Der Wellenschild 43 ist in zwei Schalen-
hälften 43.1 (untere
Hälfte) und 43.2 (obere Hälfte) aufgeteilt, deren Teilfugen bevorzugt mit den horizontalen
Gehäuseteilfugen 100 fluchten, wie es Fig. 7 zeigt.
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Die beiden axialen Enden des Wellenschildes 43 sind mit axial orientierten
Ringvorsprüngen 43a versehen, mit welchen der Wellenschild im Sinne eines Ringnut-Ringfeder-Eingriffes
in einer entsprechenden Ringnut der ihm zugewandten Stirnseiten der Leitschaufel-Deckbänder
19 wärmebeweglich gelagert ist, vgl. Fig. 6. Die Deckbänder 19 gehören zu den Leitschaufelkränzen
der beiden ersten Schaufelstufen mit den Leitschaufeln 11'. Die Frischdampfeinströnkammer
14 wird durch den Wellenschild 43 in die radial äußere Haupt-Einströmkammer 14a
und in eine radial innere Hilfs-Einströmkammer 14b aufgeteilt. Der Wellenschild
43 weist in seinem Mittelteil, welcher im Axialbereich der Verlängerung des Frischdampf-Einströmkanals
15 liegt, eine Radialbeschaufelung in Form eines Kranzes von Hilfsleitschaufeln
44 auf, vgl. Fig. 7 und 8, welche zwischen sich Schaufelkanäle 45 definieren. über
letztere kommunizieren die Haupt- und die Hilfseinströmkammer 14a, 14b miteinander.
Fig. 8 zeigt, daß eine Mehrzahl von Hilfs-Laufschaufeln 46 auf dem Außenumfang der
Rotor-Wellenpartie 400 angeordnet und unter Bildung einer Kühldampf-Stufe dem Kranz
von Leitschaufeln 44 strömungsmäßig nachgeschaltet ist. Jede der Hilfslaufschaufeln
46 ist durch Verstärkungsrippen 40a verstärkt. Der gemäß Strömungspfeilen 47 (Fig.
7) durch die beiden Einströmkanäle 15 von oben und unten zuströmende Frischdampf
strömt zunächst in die Haupteinströmkammer 14a. Der größte Anteil dieses Frischdampfes
wird gemäß Strömungspfeilen 16 in zwei etwa gleich große axiale Mengenstromteile
aufgeteilt und umgelenkt, so daß er die Leit- und Laufschaufeln 11', 11 der ersten
Schaufolfitllfe und daran anschließend der Folgestufen 12', 12usw.dirdftrömt und
dabei den Rotor 40
antreibt. Eine Teilmenge des Frischdampfes tritt
durch die Schaufelkanäle 45 zwischen den Hilfsleitschaufeln 44 entsprechend dem
Strömungspfeil 48 in die Kühldampfstufe 44, 45, 46 ein und trifft auf die Hilfslaufschaufeln
46 auf, wobei zusätzliche Antriebsarbeit für den Rotor 40 geleistet wird, die aber
entsprechend dem verarbeiteten Gefälle und dem im Vergleich zum Hauptdampfstrom
16 kleineren Teildampfstrom geringer ist.
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Nach Arbeitsleistung an den Hilfslaufschaufeln fließt die Kühldampfmenge
nach entsprechender Umlenkung in die axiale Strömungsrichtung in zwei einander entgegengesetzten
Teilströmen gemäß Pfeilen 18 am Außenumfang der Rotorwellenpartie 400 entlang unter
Kühlung derselben, um dann an den Auslaßseiten der Kränze der Leitschaufeln 41'
der beiden ersten Schaufel stufen in den Stufenraum einzuströmen, wo er sich mit
dem Hauptdampfstrom vereinigt. Durch die Entspannung einer Teilmenge des Frischdampfstromes
in der Kühldampfstufe 44, 45, 46 wird also ein Kühldampfstrom gewonnen, dessen Temperatur
ausreichend gegenüber derjenigen des Frischdampfstromes herabgesetzt ist und der
auf diese Weise die Oberflächentemperatur der Rotorwellenpartie 400 niedriger halten
kann als die in der Haupteinströmkammer herrschende Temperatur.
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Fig. 9 und 10 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung,
wobei wiederum gleiche Teile zu Fig. 5 auch mit den gleichen Bezugszeichen versehen
und deshalb nicht näher erläutert werden. Labyrinth-Dichtungsringe 71 sind im Bereich
der beiden Enden des Wellenschildes 43 zwischen den Innenumfang der ihn halternden
Leitschaufeln 11' und den den Leitschaufeln-Deckbändern mit Ringspalt gegenüberliegenden
Rotoraußenumfangs-Partien angeordnet. Der an den Hilfslaufschaufeln 45 umgelenkte
Kühldampf
fließt axial innerhalb der Neben-Einströmkammer 14b und gelangt dann durch schaufel-axiale
Durchbrechungen 72 der Leitschaufeln 11' und daran anschließende Kanalabschnitte
73 innerhalb des Leitschaufelträgers bzw. Gehäuses 10' in eine der ersten Schaufelstufe
11', 11 nachgeordnete Schaufelstufe, im vorliegenden Falle in die unmittelbar nachgeschaltete
Schaufelstufe 12', 12, wobei die Schaufeldurchbrechungen und die Kanalabschnitte
73 ersichtlich als Bypaßkanäle wirken. Durch diese Kühldampf-Umleitung in eine stromab
der ersten Schaufel stufe gelegene Schaufel stufe kann man den Druck und damit auch
die Temperatur des Kühl dampfes innerhalb der Neben-Einströmkammer 14b erniedrigen.
Folglich kann die Oberfläche der Rotorwellenpartie 400 innerhalb der Neben-Einströmkammer
14b auf einer niedrigeren Temperatur gehalten werden als ohne die genannte Umleitmaßnahme.
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Beim dritten Ausführungsbeispiel nach Fig. 11 ist mit 87 der Leitschaufelträger
und mit 80 der Turbinenrotor bezeichnet. Es handelt sich dabei um eine einflutige
Frischdampf-Einströmpartie. Der Wellenschild 83 ist an seinem einen Axialende an
einer Stirnwand der Einströmkammer 85 gelagert und an seinem anderen Ende am Innenumfang
des Kranzes der Leitschaufeln 81 der ersten Stufe und erstreckt sich somit über
die axiale Länge der Frischdampf-Einströnkammer 85, wodurch diese wieder in eine
Haupt-Einströmkammer 85a am Außenumfang des Wellenschildes 83 und in eine Neben-Einströmkammer
85b am Innenumfang des Wellenschildes 83 unterteilt wird. Der Wellenschild 83 hat
in seinem in der Verlängerung des Frischdampf-Einströmkanals liegenden Axialbereich
wieder einen Kranz von radialen Hilfsleitschaufeln 84 entsprechend denjenigen nach
Fig. 8, und der Rotor 80 ist innerhalb
seiner Wellenpartie 800
mit einem Kranz von Hilfslaufschaufeln 86 versehen, welcher dem Kranz von Hilfsleitschaufeln
84 strömungsmäßig nachgeschaltet ist. Der Hauptanteil des Frischdampfstromes strömt
in Richtung des Pfeiles 88a nach radial-axialer Umlenkung innerhalb der Haupt-Einströmkammer
in Richtung auf den Kranz von Leitschaufeln 81 der ersten Schaufelstufe und von
dort durch die weiteren Schaufel stufen in axialer Richtung. Ein Teilmengenstrom
des Frischdampfes, welcher durch den Kranz der Hilfsleitschaufeln 84 in die Neben-Einströmkammer
85b eingeströmt ist, trifft auf die Hilfslaufschaufeln 86 auf. Da in der einen Axialrichtung
die Neben-Einströmkammer durch eine Labyrinthdichtungsanordnung 89 abgedichtet ist,
kann der Kühldampf nur in Richtung des Pfeiles 88b die Neben-Einströmkammer durchströmen
und verlassen, so daß er in die erste Schaufelstufe im Bereich des Axialspaltes
zwischen deren Leit- und Laufschaufelkranz eintritt und sich hier mit dem Hauptdampfstrom
vereinigt. Hierbei hat der Kühldampf die Oberfläche der Rotorwellenpartle 800 gekühlt.
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Man erkennt, daß die Erfindung sowohl bei zweiflutigen als auch bei
einflutigen Dampfturbinen der Axialbauart zur Kühlung der Oberflächen der Rotorwellenpartie
im Bereich der Frischdampf-Einströmung geeignet ist.
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Als Vorteile sind dabei insbesondere der einfache Aufbau und der gute
Kühleffekt hervorzuheben, welch letzterer durch den Kreislauf des Arbeitsmediums
praktisch nicht beeinflußt wird. Das zur Erreichung der Kühldampftemperaturen in
der Kühldampfstufe verarbeitete Gefälle wird als zusätzliche Antriebsenergie des
Rotors ausgenutzt.
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5 Ansprüche 11 Figuren