DE3742231A1 - Dampfturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Dampfturbine und kann in leistungsstarken Dampfturbinen verwendet werden, die zum Drehen von Stromgeneratoren bestimmt sind, die elektri­ sche Energie erzeugen.

Die Dampfturbine enthält einen rotierenden Läufer mit Laufrädern, die in einem feststehenden Gehäuse einge­ baut sind, das den Läufer umbaut. Dem Gehäuse wird über eine Rohrleitung Dampf zugeführt, der unter einem hohen Druck steht und eine hohe Temperatur aufweist. Der zuge­ führte Dampf beaufschlagt die Schaufeln der Laufräder und versetzt den Turbinenläufer in Drehung. Die Dampfmenge, die dem Gehäuse zugeführt wird, wird mittels eines Ven­ tils geregelt, das im Ventilkasten angeordnet ist.

Praktisch kommen häufig Turbinenbauarten mit Gehäu­ sen in Zweischalenbauweise zur Anwendung: mit einem In­ nengehäuse, das den Läufer bzw. einen Teil des Läufers umbaut, und mit einem Außengehäuse, das das Innengehäuse umbaut. Eine solche Bauart kommt für leistungsstarke Turbinen mit Umkehrströmung des Dampfs zur Anwendung, wenn der Dampf zuerst einen Teil der Laufräder, die einen kleineren Durchmesser haben und im Innengehäuse eingebaut sind, und hiernach die restlichen Laufräder, die einen größeren Durchmesser haben und im Außengehäuse außerhalb des Innengehäuses eingebaut sind, beaufschlagt. Die Zwei­ schalenbauweise kommt auch zur Anwendung, wenn an das Außengehäuse Dampfaustrittsstutzen mit großen Durchmes­ sern anzuschließen sind. Die Zweischalenbauweise wird in der Regel für Turbinen verwendet, die mit überkritischen Dampfparametern (Dampfdruck 24 MPa, Dampftemperatur 540 °C) gefahren werden, weil sie eine Reduzierung der Tem­ peratur- und Druckdifferenzen, die auf die Wandungen der Turbinengehäuse einwirken, gegenüber der Eingehäusebau­ weise ermöglicht.

Bekannt ist eine Dampfturbine (B. S. Zhiritski "Kon­ struktsia i raschet na prochnost detalei parovych turbin", Gosenergoizdat, Moskau, Leningrad, 1960, Seite 222) mit einem Läufer mit Laufrädern, einen Innengehäuse, das einen Teil der Laufräder umbaut, die einen kleineren Durchmes­ ser haben, und einem Außengehäuse, das das Innengehäuse und den restlichen Teil der Laufräder umbaut, die einen größeren Durchmesser haben und außerhalb des Innengehäuses angeordnet sind. Im Innengehäuse ist ein Düsenkasten für die Dampfzufuhr eingebaut. Das Innen- und Außengehäuse sind miteinander durch eine Dampfeinströmhülse verbunden. Der Ventilkasten mit dem Ventil, das die Regelung der Dampfzufuhr gewährleistet, ist am Außengehäuse auf seiner Außenseite montiert und über eine Dampfeinströmhülse mit dem Einströmstutzen des Düsenkastens verbunden.

Bei der Benutzung einer solchen Bauart der Turbine arbeitet der Ventilkasten in Verhältnissen großer Tempe­ ratur- und Druckgefälle, da die Temperatur und der Druck im Inneren des Kastens durch die Dampfparameter und außen durch die Temperatur und den Druck, die außerhalb des Außengehäuses vorhanden und beispielsweise 50°C und 0,1 MPa gleich sind, bestimmt werden. Hierbei werden in den Kastenwänden große thermische und mechanische Span­ nungen wirksam, wodurch die Zuverlässigkeit des Ventil­ kastens herabgesetzt und seine Standzeit reduziert wird. Hierbei ist für das Auswechseln des Ventilkastens das Stillsetzen der Turbine erforderlich, wodurch die Ener­ gieerzeugung infolge des Stillstands der Turbine beein­ trächtigt wird und große wirtschaftliche Verluste verur­ sacht werden. Dickere Ventilkastenwände sind unerwünscht infolge der Vergrößerung der Wahrscheinlich­ keit des Entstehens von Fehlern bei der Herstellung des Ventilkastens, der eine Gußkonstruktion darstellt. Außer­ dem wird in diesem Falle die Arbeitaufwendigkeit und die Metallaufwendigkeit des Ventilkastens größer und auch die Zeit für das Durchwärmen der Turbine und ihr Hoch­ fahren bis auf Betriebszustand vergrößert sich, wodurch Verluste an elektrischer Energie verursacht werden. Beim Aufstellen des Ventilkastens unmittelbar auf dem Außen­ gehäuse auf seiner Außenseite vergrößert sich wesentlich die Höhe der Turbine, wodurch auch eine Vergrößerung der Abmessungen des Maschinenhauses herbeigeführt wird. Außer­ dem wird beim Aufstellen des Ventilkastens auf dem Turbi­ nengehäuse die Pflege und Wartung erschwert.

Bekannt ist eine Dampfturbine (SU, A, 3 62 938) mit einem Innengehäuse, das einen Teil der Laufräder des Läu­ fers umbaut, die einen kleineren Durchmesser haben, einem Außengehäuse, das das Innengehäuse und den restlichen Teil der Laufräder des Läufers umbaut, die einen größeren Durchmesser haben, einem Düsenkasten, der im Innengehäuse montiert ist, und mit einem Ventilkasten, der auf der Außenseite des Außengehäuses in einem gewissen Abstand von ihm montiert und mit dem Einströmstutzen des Düsenka­ stens über eine Dampfeinströmleitung verbunden ist, welche auf der Außenseite des Außengehäuses verläuft, sowie mit einer Dampfeinströmhülse, die zwischen dem Außen- und dem Innengehäuse angeordnet ist.

Die Länge der Einströmleitung zwischen dem Ventil­ kasten und dem Außengehäuse beträgt von 7 bis 10 m. Eine derartige Anordnung des Ventilkastens ermöglicht es, eine erhebliche Vergrößerung der Turbinenaußenmaße und somit auch eine Vergrößerung der Maße des Maschinenhauses zu vermeiden und die Pflege und Wartung des Ventilkastens zu erleichtern. Außerdem wird auch die Anfahrzeit der Turbi­ ne infolge einer gewissen Beschleunigung des Durchwärmens des Ventilkastens etwas verkürzt.

Der Ventilkasten arbeitet aber in diesem Falle eben­ falls in Verhältnissen großer Druck- und Temperaturdiffe­ renzen, was, wie vorstehend angeführt, eine Herabsetzung der Betriebszuverlässigkeit und eine Verkürzung der Stand­ zeit des Ventilkastens bedingt. Außerdem wirkt sich das Vorhandensein großer Dampfmengen, die in der Einström­ leitung zwischen dem Ventil- und dem Düsenkasten ent­ halten sind, ungünstig auf die Ansprechzeit der Turbine aus, da sie einen Anstieg der Turbinendrehzahl nach Schließen des Ventils im Falle eines Lastabwurfs verur­ sachen, wodurch Havarienzustände herbeigeführt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dampf­ turbine zu schaffen, in welcher der Ventilkasten derart angeordnet ist, daß die auf die Kastenwände einwirkenden Temperatur- und Druckdifferenzen reduziert werden und so­ mit die Standzeit des Ventilkastens vergrößert und die Anfahrzeit der Turbine verringert wird, und das Vorhanden­ sein bedeutender Dampfmengen zwischen dem Ventil- und dem Düsenkasten vermieden wird, um dem Entstehen von Havari­ enzuständen im Falle eines Lastabwurfs vorzubeugen.

Die Aufgabe wird ausgehend von einer Dampfturbine mit einem Läufer mit Laufrädern, einem Innengehäuse, das mindestens einen Teil der Laufräder umbaut, einem Außen­ gehäuse, das das Innengehäuse umbaut, einem Düsenkasten, der im Innengehäuse für die Dampfzufuhr in dieses Gehäu­ se eingebaut ist, und mit einem Ventilkasten zur Regelung der Dampfzufuhr in das Innengehäuse, der mit dem Einström­ stutzen des Düsenkastens beweglich verbunden ist, erfin­ dungsgemäß dadurch gelöst, daß der Ventilkasten zwischen dem Innengehäuse und dem Außengehäuse angeordnet und mit dem letzteren starr verbunden ist.

In diesem Falle arbeitet der Ventilkasten in Verhält­ nissen bedeutend kleinerer Temperatur- und Druckdifferen­ zen im Vergleich zur bekannten Bauweise, somit verringern sich die thermischen und mechanischen Spannungen in den Ventilkastenwänden, seine Standzeit und Zuverlässigkeit werden größer. Außerdem wird in diesem Falle die Anfahr­ zeit der Turbine kleiner infolge der Verkürzung der Zeit für das Durchwärmen des Ventilkastens und der Turbinen­ gehäuse. Zwischen dem Einströmstutzen des Düsenkastens und dem Ventilkasten sind keine unkontrollierbaren Dampf­ mengen vorhanden, wodurch dem Entstehen von Havarienzu­ ständen beim Lastabwurf vorgebeugt wird. Da die Außenma­ ße des Innen- und Außengehäuses der Turbine durch die Werte des gewünschten Druck- und Temperaturgefälles zwischen den Arbeitsräumen des Innen- und des Außenge­ häuses sowie durch die Abmessungen der Dampfaustrittsstut­ zen bestimmt werden, kann in leistungsstarken Dampfturbi­ nen, beispielsweise mit Leistungen über 300 000 kW, der Ventilkasten im Raum zwischen dem Außen- und Innengehäuse ohne Vergrößerung der Turbinenaußenmaße untergebracht werden.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispiels­ weise näher erläutert. Die Zeichnung zeigt eine erfindungs­ gemäße Turbine im Längsschnitt.

Die Dampfturbine enthält einen Läufer I mit Laufrä­ dern 2, die Laufschaufeln 3 aufweisen, ein Innengehäuse 4, das einen Teil der Laufräder 2 umbaut, Leiträder 5, die mit Schaufeln 6 ausgestattet und im Innengehäuse 4 in den Zwischenräumen zwischen den Laufrädern 2 angeordnet sind, einen Düsenkasten 7 mit einem Einströmstutzen 8, der im Innengehäuse 4 eingebaut ist, und ein Außengehäu­ se 9, das das Innengehäuse 4 und den übrigen Teil der Laufräder 2 des Läufers I umbaut, die außerhalb des Innen­ gehäuses 4 angeordnet sind und einen größeren Durchmesser haben als die Laufräder 2, die im Innengehäuse 4 angeord­ net sind. In den Zwischenräumen zwischen den Laufrädern 2, die außerhalb des Innengehäuses 4 liegen, sind eben­ falls Leiträder 5 angeordnet, die Leitschaufeln 6 auf­ weisen und in einem Haltering 10 festgemacht sind, der seinerseits am Außengehäuse 9 an seiner Innenseite befe­ stigt ist. Mit demjenigen Teil des Außengehäuses 9, in welchem die Laufräder 2 eingebaut sind, die außerhalb des Innengehäuses 4 liegen, ist auf der Außenseite der Dampfaustrittsstutzen II verbunden. An den Stellen, wo die Welle des Läufers I durch axiale Öffnungen im Außen­ gehäuse 9 führt, sind Dichtungen 12 eingebaut. An der Stelle, wo die Welle des Läufers I durch die axiale Öff­ nung des Innengehäuses 4 führt, ist auf der Seite der Laufräder, die außerhalb des Innengehäuses 4 liegen, die Dichtung 13 eingebaut. Die Leitschaufeln 6 der Leiträder 5 und die Laufschaufeln 3 der Laufräder 2, die im Innen­ gehäuse 4 liegen, bilden den Durchströmteil 14 der Tur­ bine. Die Leitschaufeln 6 der Leiträder 5 und die Lauf­ schaufeln 3 der Laufräder 2, die außerhalb des Innenge­ häuses 4 liegen, bilden den Durchströmteil 15 der Turbine.

Zwischen dem Außengehäuse 9 und dem Innengehäuse 4 ist ein Ventilkasten 16 mit einem in dem Kasten angeordne­ ten Ventil eingebaut, das einen Kegel 17 und einen Ventil­ sitz 18 aufweist, der in der Hülse des Stutzens 19 des Ventilkastens 16 angeordnet ist. Die Stirnfläche 20 des Ventilkastens 16 ist an der Innenfläche 21 des Außenge­ häuses 9 befestigt, beispielsweise durch Schweißen. Zur Verstellung des Ventilkegels 17 dient eine Stange 22, die durch einen Deckel 23 führt, welcher in der Wand einer Einströmleitung 24 festgemacht ist, die mit dem oberen Teil des Außengehäuses 9 verbunden ist.

Der Stutzen 19 des Ventilkastens 16 ist beweglich zu den Einströmstutzen 8 des Düsenkastens 7 eingesetzt. Zwi­ schen den Stutzen 19 und 8 sind Dichtungsringe, beispiels­ weise Kolbenringe 25 zur Reduzierung der Dampfüberströmung aus dem Düsenkasten 7 in die Zone zwischen dem Innenge­ häuse 4 und dem Außengehäuse 9 eingesetzt. Die Anordnung des Stutzens 19 mit Bewegungsmöglichkeit gegenüber dem Stutzen 7 gewährleistet den Ausgleich der durch die Tem­ peratur verursachten Wanderungen des Außengehäuses 9 ge­ genüber dem Innengehäuse 4. Der Ventilkasten 16 ist mit der Einströmleitung 24 über die Einströmöffnung 26 ver­ bunden.

Die Turbine arbeitet wie folgt. Der Dampf, der die erforderlichen Betriebsparameter aufweist, beispielswei­ se die Temperatur von 540°C und den Druck von 24 MPa, wird über die Dampfeinströmleitung 24 und die Dampfein­ strömöffnung 26 in den Ventilkasten 16 geführt. Das An­ fahren der Turbine wird durch Abheben des Ventilkegels 17 von dem Ventilsitz 18 bewerkstelligt, wobei der Dampf in den Düsenkasten 7 und weiter in den Durchströmteil 14 des Innengehäuses 4 strömt. Die Leiträder 5 gewährleisten das aufeinanderfolgende Beaufschlagen der Laufschaufeln 3 der Laufräder 2 mit Dampf. Beim Strömen des Dampfs im Durch­ strömteil 14 des Innengehäuses 4 setzt sich der Turbinen­ läufer in Drehung.

Bei der Arbeit der Turbine kann die Beaufschlagung der Laufräder 2 mit Dampf und somit die Drehgeschwindig­ keit des Läufers I mittels des Steuerungssystems (nicht gezeigt) geregelt werden, welches die Stellung des Ven­ tilkegels 17 gegenüber dem Ventilsitz 18 über die Stan­ ge 22 verändert. Beim Entlasten der Turbine, beispiels­ weise beim Lastabwurf des von ihr angetriebenen Genera­ tors, der die elektrische Energie erzeugt, setzt sich der Ventilkegel 17 unter Einwirkung des Steuerungssystems auf den Ventilsitz 18 auf, schließt das Ventil und sperrt die weitere Dampfzufuhr in den Düsenkasten 7, wodurch ein Anstieg der Drehgeschwindigkeit des Läufers 1 und das Entstehen von Havarienzuständen verhindert wird.

Beim Strömen im Durchströmteil 14 wird der Dampf entspannt und beim Austritt aus dem Raum, den das Innen­ gehäuse 4 umbaut, beträgt der Dampfdruck, beispielsweise 16 MPa und die Dampftemperatur ca. 320°C.

Nach dem Austritt aus dem von dem Innengehäuse 4 um­ bauten Raum tritt der Dampfstrom in den Raum zwischen dem Innengehäuse 4 und dem Außengehäuse 9, ändert seine Strömungsrichtung um 180° und wird in den nächsten Durch­ strömteil 15 geleitet, wo der Dampf die Laufschaufeln 3 der dort angeordneten Laufräder 2 beaufschlagt, dem Läu­ fer I zusätzliche Energie vermittelt und hierdurch seine Drehgeschwindigkeit vergrößert. Der Haltering 10, der an der Innenseite des Außengehäuses 9 festgemacht ist, ver­ hindert die Dampfströmung vorbei am Durchströmteil 15. Weiter strömt der Dampf zum Dampfaustrittsstutzen II.

In der beschriebenen Konstruktion der Turbine wer­ den die Druck- und Temperaturgefälle, die auf die Wandun­ gen des Ventilkastens 16 einwirken, bei laufender Turbi­ ne der Differenz zwischen dem Druck und der Temperatur des Dampfs, der dem Düsenkern 7 zugeführt wird, und des Dampfs, der sich im Raum zwischen dem Innengehäuse 4 und dem Außengehäuse 9 befindet, gleich sein. Da der Dampfdruck und die Dampftemperatur in dem angeführten Raum verhältnismäßig hoch im Vergleich zu den Dampf- und Temperaturwerten an der Außenfläche des Außengehäuses 9 sind, werden das Druck- und das Temperaturgefälle verhält­ nismäßig klein im Vergleich zu den entsprechenden Werten beim Anordnen des Ventilkastens 16 auf der Außenseite des Außengehäuses 9 sein, wie dieses in den konventionel­ len Konstruktionen üblich ist. Im angeführten Beispiel weisen die Dampf- und Temperaturgefälle, die auf die Wän­ de des Ventilkastens 16 einwirken, 24 - 16 = 8 MPa bzw. 540 - 320 = 220°C anstatt 24 MPa bzw. 540 - 50 = 490°C im Falle der konventionellen Konstruktion auf (hierbei werden der Druck und die Temperatur an der Außenseite des Außengehäuses 9 gleich 0,1 MPa bzw. 50°C angenommen).

Die angeführte Reduzierung der Druck- und Temperatur­ gefälle, die auf die Wandungen des Ventilkastens 16 ein­ wirken, verursacht eine Herabsetzung des Niveaus der me­ chanischen und thermischen Spannungen in diesen Wandun­ gen, wodurch die Betriebszuverlässigkeit und die Stand­ zeit des Ventilkastens vergrößert werden. Dies ermöglicht eine Verlängerung der Zeitintervalle zwischen den Stillegun­ gen der Turbine, die durch Notwendigkeit der Reparatur bzw. des Auswechselns des Ventilkastens bedingt sind, was bei leistungsstarken Turbinen große Verluste an erzeug­ ter elektrischer Energie verursacht und Betriebsstörun­ gen bei den Verbrauchern der elektrischen Energie her­ beiführen kann.

Da beim Anfahren der Turbine der der Turbine zuge­ führte Dampf den Ventilkasten nicht nur von der Innen­ seite sondern auch von der Außenseite erwärmt, die von dem Dampf erwärmt wird, der im Raum zwischen dem Innen­ gehäuse 4 und dem Außengehäuse 9 strömt, erfolgt das Er­ wärmen des Ventilkastens 16 beim Anfahren der Turbine bedeutend schneller als im Falle, wenn der Ventilkasten 16 auf der Außenseite des Außengehäuses 9 angeordnet wird. Infolgedessen nimmt das Anfahren der Turbine weni­ ger Zeit in Anspruch, wodurch eine Reduzierung der Ver­ luste an erzeugter elektrischer Energie möglich wird.

Da der Ventilkasten 16 unmittelbar an den Düsenkasten 7 stößt, befinden sich zwischen den genannten Kästen keine unkontrollierten Dampfmengen, welche, wie oben angeführt, beim Lastabwurf und Schließen des Ventils die Erhöhung der Drehgeschwindigkeit des Läufers und das Entstehen von Hava­ rienzuständen fördern. Hierdurch wird eine Erhöhung der Betriebssicherheit der Turbine ermöglicht.

Die Abmessungen des Außengehäuses 9 werden ausgehend davon festgelegt, daß die gewünschte Abnahme der Dampftem­ peratur und des Dampfdrucks beim Dampfaustritt aus dem Raum im Inneren des Innengehäuses 4 gewährleistet wird, sowie ausgehend von den Abmessungen des Dampfaustrittsstut­ zens II. Bei großen Turbinen (Leistung über 300 000 kW) sind die Abmessungen des Außengehäuses der Turbine groß ge­ nug für die Anordnung des Ventilkastens in dem Zwischenraum zwischen dem Außen- und Innengehäuse ohne Verzögerung der Außenmaße der Turbine.

Die Anordnung des Ventilkastens im Raum zwischen dem Außen- und dem Innengehäuse ist auch möglich, wenn sämtliche Laufräder des Läufers im Innen­ gehäuse angeordnet sind. In diesem Falle wird der aus dem Innenraum des Innengehäuses herausströmende Dampf durch den Raum zwischen dem Innen- und dem Außengehäuse unmittel­ bar in den Dampfaustrittsstutzen geführt.

Claims (2)

1. Dampfturbine mit

   • - einem Läufer (1) mit Laufrädern (2),
   • - einem Innengehäuse (4), das mindestens einen Teil der Laufräder (2) umbaut,
   • - einem Außengehäuse (9), das das Innengehäuse (4) umbaut,
   • - einem Düsenkasten (7), der im Innengehäuse (4) für die Dampfzufuhr in dieses Gehäuse eingebaut ist,
   • - einem Ventilkasten (16) zur Regelung der Dampfzufuhr in das Innengehäuse (4), der mit dem Einströmstutzen (8) des Düsenkastens (7) beweglich verbunden ist,
2. dadurch gekennzeichnet, daß

   • - der Ventilkasten (16) zwischen dem Innengehäuse (4) und dem Außengehäuse (9) angeordnet und mit dem Außen­ gehäuse (9) starr verbunden ist.