DE4411616A1

DE4411616A1 - Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE4411616A1
Application number: DE4411616A
Authority: DE
Inventors: Erhard Kreis; Pierre Meylan
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1994-04-02
Filing date: 1994-04-02
Publication date: 1995-10-05
Anticipated expiration: 2014-04-03
Also published as: US5525032A; DE4411616C2; JPH07279605A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Ober begriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Im Inneren der Wellen, insbesondere von großen Turbomaschi nen, befinden sich in der Regel aus Herstellungsgründen, bei spielsweise bei geschweißten Rotoren, an sich große rota tionssymmetrische Hohlräume, welche mit dem beim Schweißen verwendeten Schutzgas, typischerweise Argon, gefüllt sind. Solche Hohlräume wirken bei transienten Betriebsbereichen, also beim An- und Abfahren der Turbomaschine thermisch iso lierend. Kommt des weiteren hinzu, daß solche geschweißte Turbomaschinenwellen durch ihre Konfiguration der kleinen Oberfläche für den Wärmeaustausch und der unbeheizten Schei benbauweise thermisch betrachtet sehr träge sind. Die wach senden Anforderungen bezüglich kleiner Spiele in der Be schaufelung stößt gerade bei solchen geschweißten Wellen an Grenzen, denn beispielsweise bei einer Außerbetriebsetzung der Turbomaschine kühlt sich der Stator schneller als die Welle ab, wodurch die Minimierung der Spiele in der Beschau felung während dieses Vorganges illusorisch wird, denn hier muß das Spiel in der Beschaufelung stets maximiert werden, will man zwischen Stator und Welle eine Blockierung der ro tierenden Teile vermeiden, die dann leicht sogar zu einer Schrumpfverbindung derselben führen könnte, demnach zu einer Havarie der Maschine. Beim Anfahren der Turbomaschine verhält es sich umgekehrt: Der Stator dehnt sich schneller als die Welle aus, wodurch bis zur Angleichung der Temperatur im Sy stem zwar zu keiner Blockierung der rotierenden Teile kommt, aber große Spaltverluste entstehen, welche den Wirkungsgrad mindern.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art Maßnahmen vorzuschlagen, welche eine Ausschaltung der Spalt verluste bewirken und welche ermöglichen, eine Minimierung der Spaltspiele zwischen Rotor und Stator vorzusehen, ohne auf die Temperaturdehnungen in den transienten Betriebsberei chen der Anlage Rücksicht nehmen zu müssen.

Weil bei geschweißter Bauweise des Rotors der Stator sich schneller als die Welle abkühlt, d. h. diese Welle sich ther misch betrachtet träger als der Stator verhält, gehen die Maßnahmen dahin, auf die Welle einzuwirken. Dabei muß man unterscheiden, ob die Welle gegenüber dem Stator im jeweili gen Betriebszustand zu erwärmen oder zu kühlen ist. Je nach dem, wird die Welle durch ein System von inneren Kanälen mit heißem oder einem kühleren Medium konditioniert. Im Normal fall wird es sich hier in einem Fall um Heißgase, im anderen Fall um Kühlluft handeln. Auch eine Konditionierung anhand von flüssigen Medien ist durchaus möglich.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist somit darin zu se hen, daß die Welle dem Temperaturverlauf des Stators ange paßt werden kann. Insbesondere beim Abfahren der Turbogruppe erübrigt es sich, die bis anhin üblichen langen Auslaufzeiten zur Einpendelung der Temperatur zwischen Stator und Welle einzuplanen, welche der eigentlichen Verfügbarkeit der Anlage sehr abträglich sind.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die Spiele in der Beschaufelung nunmehr bedenken los minimiert werden können, was auf den Wirkungsgrad der An lage positiv auswirkt.

Ferner ist hervorzuheben, wie oben bereits kurz angetönt wurde, daß es nunmehr ohne weiteres möglich ist, die Turbo gruppe auch kurzfristig abzustellen, und sie dann wieder eben so schnell auf Betriebszustand zu bringen.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungs gemäßen Aufgabenlösung sind in den weiteren abhängigen An sprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbei spiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittel bare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strö mungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigt

Fig. 1 einen Ausschnitt einer Strömungsmaschine, deren Welle mit axialen Strömungskanälen versehen ist,

Fig. 2 einen Querschnitt der Welle entlang der Schnittebene II-II und

Fig. 3 einen weiteren Ausschnitt einer Strömungsmaschine, deren Welle mit einer ondulierten Kanalführung ver sehen ist.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwertbarkeit

Die hier gezeigte Strömungsmaschine als Verdichter gemäß Fig. 1 besteht aus einem Stator 3 und einem Rotor. Der Rotor, d. h. die Welle, in dieser Figur besteht aus zwei Wellenteilen 1, 2, die durch Schweißen miteinander verbunden sind. Die Schweißnaht 4 erstreckt sich in Umfangsrichtung aus schweißtechnischen Gründen nur über einen Bruchteil der Stirnfläche. Die Wellenenden der Wellenteile 1, 2 weisen ro tationssymmetrische Ausnehmungen auf, welche nach dem Schweißen einen rotationssymmetrischen Hohlraum 10 bilden. Anströmungsseitig und stromab des Hohlraumes 10 ist in Um fangsrichtung zwischen Stator 3 und Welle 1, 2 ein Kranz von Leitschaufeln 5 angeordnet, welche die Strömung des Arbeits gases 13 zu den nachfolgenden Laufschaufeln 9 kanalisiert. Die Leitschaufeln 5 sind jeweils mit einer Deckplatte verse hen, wobei diese Deckplatte in der Welle eingelassen ist. Die Leitschaufeln 5 sind des weiteren mit einem durchgehenden Ka nal 7 versehen, der im Wellenteil 2 seine Fortsetzung findet, wobei an diesem Übergang eine Labyrinthdichtung 8 vorgesehen ist. Dieser Fortsetzungskanal 11 erstreckt sich in axialer Richtung und erfaßt weitgehend die ganze Länge des entspre chenden Wellenteils 1 der Strömungsmaschine. Minimal er streckt er sich bis in Bereich des nachfolgenden nicht ge zeigten Hohlraumes. In radialer Richtung ist der Fort setzungskanal 11 etwa in der Mitte des Radius des jeweiligen Wellenteils 1 angesetzt, wie dies aus der eingezeichneten Achse 14 hervorgeht. Grundsätzlich hat die radiale Untertei lung so zu erfolgen, daß die ganze Welle einer gleichmäßi gen Temperaturbeeinflussung unterworfen ist. Demnach ist zu postulieren, daß der axiale Verlauf der Fortsetzungskanäle 11 näher der heißeren Oberfläche der Welle vorzusehen ist. Je nach Temperatur-Konditionierung der Wellenteile 1, 2 ge genüber dem Stator 3 strömt ein Konditionierungsmedium, vor zugsweise ein Konditionierungsgas 6, mit einer entsprechender Temperatur über den Kanal 7 der Leitschaufel 5 in den Fort setzungskanal 11 ein. Nach axialer Durchströmung desselben wird dieses zu Kühl- oder Aufwärmezwecken verbrauchte Gas 12 an geeigneter Stelle in die Strömung der Arbeitsgase 13 der entsprechenden Strömungsmaschine entlassen. Grundsätzlich ist es so, daß die beschriebene Temperatur-Konditionierung der Welle gegenüber dem Stator bei den verschiedenen Betriebszu ständen im vermehrten Masse auch für die Wellenteile im Be reich der Turbine gilt. Hat man mit einer einwelligen Ma schine zu tun, so ist besonders Augenmerk auf die Temperatur- Konditionierung im Bereich des turbinenseitigen Wellenteils gegenüber dem kälteren verdichterseitigen Wellenteil zu le gen. Des weiteren soll bei dieser Temperatur-Konditionierung der einzelnen Wellenteile berücksichtigen werden, daß bei geschweißter Welle die strahlungsbedingte Wärmeübertragung im Hohlraum 10 etwa 5% der metallischen Wärmeleistung aus macht. Mehrheitlich wird die Temperatur-Konditionierung der Welle auf Kühlung auszulegen sein, dies mit dem Ziel, die Ab kühlung der Welle aus genannten Überlegungen schneller zu erzielen.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch den Wellenteil 2. Darin sind die Fortsetzungskanäle 11 gezeigt, welche in einem Abstand zueinander eine gleichmäßige Temperatur-Konditionierung der Welle ermöglichen. Es ist dabei zu berücksichtigen, daß der Abstand der Fortsetzungskanäle 11 zueinander aus den ver schiedenen Kräfteeinwirkungen auf die Welle, um diese nicht zu schwächen, nicht zu klein gewählt werden dürfen, d. h., daß unter Umständen nicht jede Leitschaufel 5 einen Kanal 6 aufweist, wobei dies auch davon abhängt, auf welchem Mittel kreis die Fortsetzungskanäle 11 angeordnet sind. Aus herstel lungstechnischen Gründen ist die Führung der einzelnen Fort setzungskanäle 11 individuell gestaltet, wobei bei beispiels weise gesinterten Wellenteilen ohne weiteres ein System von kommunizierenden Kanälen mit einer Reduktion der Einlaß- und Auslaßöffnungen für das eingesetzte Gas zur Anwendung gelan gen kann. Hierzu wird auf Fig. 3 verwiesen.

Fig. 3 zeigt eine weitere Strömungsmaschine, welche als Tur bine dargestellt ist. Die Problematik betreffend Angleichung der Temperaturverlauf-Charakteristik zwischen Stator und Ro tor ist indessen die gleiche. Gegenüber Fig. 1 wird hier ge zeigt, daß die Zuführung des Konditionierungsgases 6 gegen über der Heißgase 22 in beiden Richtungen disponiert werden kann. Zu diesem Zweck ist am Ende des Wellenteils 2 auch eine Leitschaufel-Konfiguration 17 vorgesehen, welche ebenfalls mit einem Durchflußkanal 18 versehen ist. Eine solche Be treibungsart bedingt für die beiden Durchflußkanäle 7, 18 je ein steuerbares Ventil 19, 20. Zum besseren Verständnis ist die Turbine mit zwei Laufschaufeln 21 und einer dazwischen geschalteten einfachen Strömungsleitschaufel 16 ergänzt. Ge genüber Fig. 1 sind die Fortsetzungskanäle 15 in den Wellen teilen 1, 2 nicht mehr streng axial geführt, sondern sie be schreiben eine ondulierte Führung, welche den Vorteil hat, die ganze Materialstärke der Welle integraler zu erfassen. Diese Fortsetzungskanäle 15 münden in den Hohlraum 10, und strömen von dort weiter, womit auch dort diese thermisch be einflußt werden.

Bezugszeichenliste

1 Wellenteil
2 Wellenteil
3 Stator
4 Schweißnaht
5 Leitschaufel
6 Konditionierungsgas
7 Kanal
8 Labyrinthdichtung
9 Laufschaufel
10 Hohlraum
11 Fortsetzungskanal
12 Verbrauchtes Gas
13 Luftströmung
14 Achse der Wellenteile
15 Fortsetzungskanal
16 Strömungsleitschaufel
17 Leitschaufel
18 Durchflußkanal
19 Ventil
20 Ventil
21 Laufschaufel
22 Heißgase

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine, im wesentli chen bestehend aus einem Stator und einem Rotor, wobei letzt genannter aus mehreren zusammengeschweißten Wellenteilen be steht, und wobei die einzelnen Wellenteile endseitig einen rotationssymmetrischen Hohlraum aufweisen, dadurch gekenn zeichnet, daß die sich in transienten Betriebsbereichen ein stellende Temperaturdifferenz zwischen Stator (3) und Rotor (1, 2) dergestalt ausgeglichen wird, daß der Rotor thermisch nach Maßgabe der Temperaturverlauf-Charakteristik des Sta tors beeinflußt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Beeinflussung des Rotors durch ein Konditionie rungsmedium (6) erzeugt wird, daß dieses Medium durch inner halb des Rotors angelegte Kanäle (11, 15) strömt, um an schließend weitergeleitet zu werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Temperaturerhöhung des Rotors mit einer Menge Heißgase vor genommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kühlung des Rotors durch eine Menge Kühlluft vorgenommen wird

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeich net, daß das Konditionierungsmedium durch den Rotor und durch die Hohlräume strömt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Konditionierungsmedium in einem geschlossenen Kreislauf zir kuliert.