DE4411616C2

DE4411616C2 - Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE4411616C2
Application number: DE4411616A
Authority: DE
Inventors: Erhard Kreis; Pierre Meylan
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1994-04-02
Filing date: 1994-04-02
Publication date: 2003-04-17
Anticipated expiration: 2014-04-03
Also published as: DE4411616A1; JPH07279605A; US5525032A

Description

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.

Die Schrift DE-A1-39 09 577 offenbart eine Anordnung und ein Verfahren zum Steuern von Spalten der Rotorschaufeln in einem Gasturbinetriebwerk, wobei die Anordnung Einrichtungen zum Zuführen einer Wärmeübertragungsfluiddurchflussmenge zum Rotor, Einrichtungen zum Variieren der Temperatur der Durchflussmenge und Einrichtungen zum Steuern der variieren den Einrichtungen als Funktion der Wärmetransportkapazität des Fluids umfasst.

Eine Einrichtung zur Schaufel und Dichtspaltoptimierung für Verdichter von Gasturbinentrieb werken ist aus EP-A2-0 235 641 bekannt.

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 heissen 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 ebensoschnell 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 Fig. 1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Strömungsmaschine als Verdichter. Diese 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 Uebergang 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 Ueberlegungen 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 Strömungsmaschine ensprechend der vorliegenden Erfindung, 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. Ensprechend der vorliegenden Erfindung wird das Konditionierungsmedium 6 in einem geschlossenem Kreislauf zirkulieren.

Bezeichnungsliste

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 wesentlichen bestehend aus einem Stator (3) und einem Rotor, wobei letztgenannter aus mehreren zusammenge schweissten Wellenteilen (1, 2) besteht, und wobei die einzelnen Wellenteile (1, 2) end seitig einen rotationssymmetrischen Hohlraum (10) aufweisen, wobei die sich in transi enten Betriebsbereichen einstellende Temperaturdifferenz zwischen Stator (3) und Ro tor dergestalt ausgeglichen wird, dass der Rotor thermisch nach Massgabe der Tempe raturverlauf-Charakteristik des Stators (3) beeinflusst wird und wobei ein Konditionie rungsmedium (6) durch den Rotor und durch die Hohlräume (10) strömt, dadurch gekennzeichnet, dass das Konditionierungsmedium (6) in einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Konditionie rungsmedium (6) durch innerhalb des Rotors angelegte Kanäle (11, 15) strömt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturerhöhung des Rotors mit einer Menge Heissgase vorgenommen wird.

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

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Konditionierungsmedi um (6) durch eine Leitschaufel (5) vom Stator (3) zum Rotor geleitet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Konditionierungsmedi um (6) nach Durchströmen des Rotors und der Hohlräume (10) durch eine zweite Leit schaufel (17) geleitet wird.