DE528567C - Verfahren und Vorrichtung zum Vorwaermen und Heisshalten von Dampf- oder Gasturbinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft das Vorwärmen und Heißhalten von abgestellten oder mechanisch langsam in Drehung unterhaltenen Dampfoder Gasturbinen, die rasch in Vollastbetrieb gesetzt werden sollen.

Der Hauptzweck besteht darin, Mittel zu schaffen, um derartige Maschinen unvermittelt beliebig zu belasten oder rascher in Betrieb zu setzen, als dies bisher angängig war.

ίο Ein weiterer Zweck ist, abgestellte Dampfturbinen unter Aufwand einer besonders kleinen Wärmemenge in vollastbetriebsheißem Zustande zu erhalten.

Die Erfindung besteht in einem Verfahren, um abgestellte oder mechanisch langsam in Drehung unterhaltene Dampf- oder Gasturbinen unvermittelt voll zu belasten, indem während der Dauer der Abstellung dieTurbine oder mindestens ihre Hochdruckabschnitte

ao vermittels Zufuhr von Wärme von außen durch die äußeren Oberflächen ihres Gehäuses und ihrer Flanschen auf Temperaturen unterhalten werden, die angenähert gleich oder höher sind als die Sättigungstemperaturen des unvermittelt zugelassenen Arbeitsdampfes, wodurch durch Unterdrücken der Kondensation des Dampfes an den von ihm bestrichenen Metalloberflächen ein Wärmefluß in die Metallmassen in schädlichem Ausmaße unterbunden wird.

Die Abbildungen veranschaulichen beispielsweise Anwendungen der Erfindung.

Abb. ι zeigt einen Schnitt durch die Flanschen eines axial unterteilten Zylinders.

Abb. 2 zeigt einen Schnitt durch die Verschalung nach der Linie 1-2 der Abb. 3 nebst Seitenansicht der von der Verschalung umgebenen Turbine.

Abb. 3 zeigt einen Schnitt durch Verschalung und Turbine nach der Linie 3-4 der Abb. 2.

Abb. 4 ist eine schematische Darstellung einer besonders wirksamen Art, den Zylinderwandungen der Turbine von außen Wärme verfahrensgemäß zuzuführen.

Abb. 5 und 6 veranschaulichen Maßnahmen für eine verstärkte Wärmezufuhr zu stark angehäuften Metallmassen.

Die Zeit, die erforderlich ist, um abgestellte, teilweise oder vollständig erkaltete Dampfturbinen einwandfrei in Betrieb zu setzen, dauert bekanntlich von 15 Minuten bis zu mehreren Stunden, je nach ihrer Größe und der Abmessung z. B. ihrer Wände und Flanschen, die bei Verwendung hohen Druckes besonders groß sein können.

Es können aber z. B. in einer Kraftzentrale jederzeit Verhältnisse vorkommen, wie der Ausfall einer Einheit oder eine unvorhergesehene Steigerung der Netzbelastung, durch die die unvermittelte Inbetriebnahme einer erkalteten Turbine notwendig wird, welcher Notwendigkeit aber nicht entsprochen werden kann, da Wärmespannungen und Vibrationen in zerstörendem Ausmaße vermieden werden müssen.

Werden z. B. die äußeren Flanschen 5, 6 (Abb. 1) eines erkalteten Hochdruckzylinders durch unvermittelte Dampf gäbe in großem

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Ausmaße einseitig zu rasch erhitzt, so erreichen die Temperaturen der inneren Wand infolge des hohen Wärmeüberganges aus dem an der kalten "Wand kondensierenden Dampf beinahe die vollen Sättigungstemperaturen, während die äußeren Teile der Flanschen noch kalt sind. Dies kann zur Folge haben, daß die Verschiedenheit in der Wärmeausdehnung des teils kalten und teils heißen

ίο Flanschenkörpers und die dadurch verursachten Wärmespannungen eine solche Größe erreicht, daß die Elastizitätsgrenze des Metalls überschritten wird, Formveränderungen und Rißbildungen einleitend. Zudem werden die Dichtungsflächen 10, 11 namentlich da, wo Längs- und Querflanschen sich kreuzen, undicht und mitunter die Flanschenbolzen 12 verstreckt. Die Wärmekurve 8, 9 geht daraufhin allmählich auf den des Betriebsbeharrungszustandes gemäß z. B. Linie 13-14 über.

Die Steilheit der Kurve 8-9 ist verursacht durch die hohe Übergangszahl der von dem an der Innenfläche kondensierenden Wasserdampf abgegebenen Wärme. Hier setzt die neue Erfindung ein, vermöge der der Turbine während der Dauer ihrer Außerbetriebsetzung Wärme in solcher Menge zugeführt wird, daß die Temperaturen der von dem unvermittelt zugelassenen Betriebsdampf bestrichenen Wände mindestens annähernd auf der Höhe der den Sättigungstemperaturen dieses Dampfes entsprechenden Temperaturen erhalten werden. Dadurch wird die Kondensation des Dampfes an den Wandoberflächen unterbunden, und die Wärmeübergangszahl wird auf die um das Vielfache kleinere von Gasen beschränkt.

Eine besonders empfehlenswerte Art, das Verfahren anzuwenden, ist, die der abgestellten Turbine von außen zuzuführende Wärme vermittels Beheizung des Raumes 22 zwischen der Turbine und der sie umhüllenden Verschalung 27 zu bewirken.

Dies geschieht beispielsweise durch den Einbau von Heizkörpern, wie Dampf heizschlangen 15, 15, die z. B. mit überhitztem Hochdruckdampf gespeist werden, in den Verschalungsraum 22 oder vermittels elektrischer Heizwiderstände, die den Zylinder teils durch Bestrahlung, teils durch Erwärmung der in der Verschalung eingeschlossenen Luft oder Gase von außen heizen. Es kann aber auch die Luft aus dem Verschalungsraum 22 vermittels eines Ventilators 20 (Abb. 3) durch das Rohr 21 abgezogen werden, um über einen besonderen Heizkörper 23 durch das Rohr 24 dem Raum 22 wieder zugeführt zu werden, oder umgekehrt.

Durch Einbau geeigneter Verteilbleche 25 (Abb. 3) kann eine beliebige Verteilung des dem Rohr 24 entströmenden Wärmeträgers bewirkt werden, so z. B., daß die Heizluft eine spiralförmige Bahn in Richtung der Dampfexpansion in der Turbine um den Zylinderkörper beschreibt. Der in Abb. 3 veranschaulichte Heizapparat 23 wird vorzugsweise mit überhitztem oder gesättigtem Dampf von hohem Druck gespeist. Er kann aber auch mit elektrischen Heizwiderständen oder einer Verbindung beider Arten von Wärmezufuhr versehen sein. Auch können neben dem getrennten Heizkörper 23 zusätzliche Heizkörper, z. B. im Verschalungsraum 22 eingebaute Dampf heizschlangen 15, Anwendung finden.

Während der Dauer des Vollastheißhaltens von Turbinen längerer Bauart ist der Läufer mechanisch langsam zu drehen.

Die Verschalung 27 wird zweckmäßig doppelwandig ausgeführt und mit einer wärmeisolierenden Schicht 28 (Abb. 1 und 3) gefüllt; auch kann das Saugrohr 21 unterhalb der Verschalung 27 angeordnet werden.

Eine andere Art der Anwendung von elektrischer Energie zur Heizung besteht darin, in einer die Verschalung auskleidenden Isolierschicht 28 (Abb. 1) einen gleichmäßig verteilten elektrischen Widerstand, z. B. ein Drahtnetz 50 (Abb. 1), einzubetten und so zu verteilen, daß dieser Schicht die erforderliche Temperatur erteilt wird. Der elektrische Widerstand kann dabei so verteilt werden, daß am Zudampfende des Zylinders eine höhere Temperatur erzeugt wird als an dessen Abdampfende. '

Die äußere Wärmezufuhr zu den Zylinderwandungen kann beliebig geregelt werden, sei es von Hand oder selbsttätig. Die Regelung kann so geartet sein, daß eine bestimmte Temperatur im Verschalungsraum oder in der Turbine oder eine bestimmte Wärmezufuhr konstant gehalten wird. Sowie bei Verwendung von elektrischen Heizwiderständen die durchschnittliche Temperatur der äußeren Oberfläche der Turbine durch die vereinigte Wirkung der äußeren Heizquelle und des Arbeitsdampfes höher wird als die Temperatur des letzteren oder seines Sättigungspunktes, kann die äußere Wärmequelle selbsttätig oder von Hand abgestellt werden.

In Abb. 3 ist 30 ein in die Saugleitung 21 eingebauter, bei 31 einstellbarer Thermostat, der über den Doppelhebel 32, 33, die Verbindungsstange 34 und den Hebel 35 ein Dampfdrosselventil 36 beherrscht. Diese Vorrichtung bewirkt ein Konstanthalten der Temperatur des kreisenden Wärmeträgers.

In Abb. 2 ist eine Einrichtung veranschaulicht, die die Regelung der Wärmezufuhr in Abhängigkeit von der Temperatur des Zylinders bewirkt, der somit die Tätigkeit eines Thermostaten versieht. Der Zylinder 40 ist

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an seinem Abdampfende bei 41 mit der Fundamentplatte befestigt, aber am Zudampfende durch Gleiten seiner Pratzen 42 frei ausdehnbar. Ein Zapfen 43, der an dem Längsflansch 6 des Zylinders befestigt ist, verschiebt sich bei der axialen Wärmeausdehnung des Zylinders um den Betrag 44, der die Längenänderung des sich von dem Zylinderfestpunkt bis zu dem Zapfen 47 erstrecken-

to den Zylinderteils von der in der Waagerechten gemessenen Länge 45 darstellt. Der Zapfen 43 bewegt das eine Ende des Winkelhebels 46, dessen Drehpunkt 47 am Fundament befestigt ist, und verursacht den Ausschlag 48 des anderen Hebelendes, das über eine Verbindungsstange 49 ein Regelorgan, z. B. Dampfdrosselorgan, ähnlich 36 (Abb. 3) oder die Regelung von elektrischen Heizwiderständen betätigt.

Eine weitere Ausbildung dieser Einrichtung ist die der Verblockung der Hauptdampfabschließung der Turbine mit dem Zapfen 43 oder mit der von ihm abhängigen Mechanik, derart, daß es nicht möglich ist, Dampf, wenigstens in größerer Menge, in die abgestellte Turbine zu lassen, wenn die Temperatur der Zylinderabschnitte geringer ist als annähernd die betreffenden Sättigungstemperaturen des Arbeitsdampfes.

Das Heißhalten gemäß der Erfindung kann auch auf die Dampfgehäuse der Steuerung der Turbine und deren Verbindungsleitungen ausgedehnt werden.

Elektrische Heizwiderstände bilden besonders empfehlenswerte Wärmequellen, da die mit denselben erreichbaren Temperaturen unabhängig sind von physikalischen Eigenschaften, wie z. B. der Sättigungstemperatur von Dampf. Da einige Kilowatt genügen, um bei zweckdienlicher Isolation der Verschalung das Verfahren in ergiebigem Ausmaße zur Geltung zu bringen, wird ein besonders kleiner Energieaufwand benötigt, um eine abgestellte Turbine dauernd in vollastbetriebsheißem Zustande zu erhalten.

Es ist wichtig, namentlich bei Anwendung des Verfahrens auf einen Betrieb, bei dem starke plötzliche Belastungszunahmen vorkommen, die Wärmezufuhr von außen so über den Zylinder zu verteilen, daß die Wärmezuführung den örtlichen Metallanhäufungen angepaßt ist. Gemäß Abb. 4 wird dies dadurch erreicht, daß in einer den Zylinder 51 umhüllenden Wärmeisolierschicht 52 ein Heiznetz 53 unmittelbar an ihrer inneren Fläche eingebettet wird, wobei seine Maschen so verteilt sind, daß sie auf der die Flanschen heizenden Strecke 55 enger sind als auf den Strekken 56 und 57 gegenüber den verhältnismäßig dünnen Zylinderwandungen. Die Isolierschicht 52 kann dabei entweder einen Luftraum 58 unter der Verschalung 59 frei lassen oder den Verschalungsraum ausfüllen.

Bei der Wärmezufuhr von außen vermittels L^Tmlauf von Wärme tragender Luft im Verschalungsraum 60 (Abb. 5) kann eine Verstärkung des Wärmeüberganges dadurch erzielt werden, daß die Oberflächen solcher Metallanhäufungen die Form von Riefen 61 (Abb. 5) bzw. von Wellen 62 (Abb.6) erhalten. Durchdie dadurch vergrößerte Aufnahmefläche wird die Wärmezufuhr örtlich vermehrt. Eine örtliche Verstärkung des Wärmeüberganges kann auch durch örtliche Steigerung der Luftgeschwindigkeit erzielt werden, z. B. durch Verengung des Strömungsquerschnittes bei 63 bzw. 64.

Auch die Bolzen 65, die durch ihre Flanschen 66, 67 von der Wärmequelle stark isoliert werden, können nebst den benachbarten Flanschenteilen vermittels Bohrungen 68 und Löchern 69 in den Zylinderflanschen der Wärmezufuhr von außen zugänglicher gemacht Werden.

Sollen mehrere Zylinder derselben oder verschiedener Turbinengruppen in der geschilderten Weise beheizt werden, so kann man ihre Verschalungsräume hintereinanderschalten oder den einen Raum an einer geeigneten Stelle anzapfen, um den anderen mitzuheizen.

Als weiterer Vorteil des Verfahrens ist noch hervorzuheben, daß die radialen Laufspiele abgestellter Turbinen größer werden oder gleichbleiben wie im Betriebsbeharrungszustande. Auch wird durch Ausschalten der Möglichkeit des Erkaltens die Gefahr des Entstehens von Mantelrissen von Turbinen mit Zwischenwänden, die sich ohne Anwendung des Verfahrens gegenüber dem Gehäuse beim Vorwärmen voreilend ausdehnen, beseitigt.

Claims (15)

Patentansprüche:

1. Verfahren, um abgestellte oder mechanisch langsam in Drehung unterhaltene Dampf- oder Gasturbinen unvermittelt bis Vollast beliebig zu belasten, dadurch gekennzeichnet, daß während der Dauer der Abstellung -die Turbine oder mindestens ihre Hochdruckabschnitte vermittels Zufuhr von Wärme von außen durch die äußeren Oberflächen ihres Gehäuses und Flanschen auf Temperaturen unterhalten werden, die angenähert gleich oder höher sind als die Sättigungstemperaturen des unvermittelt zugelassenen Arbeitsdampfes, wodurch durch Unterdrücken der Kondensation ein Wärmefluß in die Metallmassen in schädlichem Ausmaße unterbunden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, daß die von außen zugeführte Wärme vermittels Beheizung des Raumes zwischen Turbine und der ihn umhüllenden Blechverschalung zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturen des Raumes oder der Turbine vermittels selbsttätiger Regelorgane, vorzugsweise vermittels Thermostaten konstant gehalten werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zylindergehäuse der Turbine auf Grund seiner Wärmeausdehnung als Thermostat benutzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die der Turbine von außen mitgeteilte Wärme den örtlichen Anhäufungen der Metallmassen angepaßt wird, in der Weise, daß den dickeren Teilen mehr und den dünneren Teilen weniger Wärme zugeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Verschalung eingeschlossene Luft durch von derselben mit eingeschlossene Heizkörper erwärmt oder in heißem Zustande unterhalten wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Verschalung eingeschlossene Luft durch von derselben mit eingeschlossene, mit Hochdruckdampf gespeiste Dampfkörper erwärmt oder in heißem Zustande unterhalten wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Verschalung eingeschlossene Luft durch von derselben mit eingeschlossene elektrische Heizwiderstände erwärmt oder in heißem Zustande unterhalten wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Heizwiderstände für das Vorwärmen parallel, für das Heißhalten in Serie geschaltet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Heizwiderstand in Form eines Drahtnetzes über die ganze Innenfläche der Verschalung verteilt ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 6, 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das über die ganze Innenfläche der Verschalung verteilte Drahtnetz in eine die Verschalung auskleidende, nicht leitende Schicht gebettet ist.

12. Verfahren nach Anspruch 4, 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß, sowie bei Verwendung von elektrischen Heizwiderständen die durchschnittlichen Temperaturen der äußeren Oberflächen der Turbine durch die vereinigte Heizwirkung dieser Widerstände und des Arbeitsdampfes höher wird als die Temperaturen des letzteren oder seines Sättigungspunktes, die äußere Wärmequelle selbsttätig oder von Hand abgestellt wird, und umgekehrt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Vergrößerung der wärmeaufnehmenden Oberfläche der dicken Massen, z. B. Flanschen des Zylinders, vermittels gerippter oder geriefelter Formgebung derselben.

.14. Vorrichtung. nach-Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Luft zum Heizen mindestens eines Turbinenzylinders von außen außerhalb der Verschalung erhitzt wird.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizluft vermittels eines Ventilators aus dem Verschalungsraum abgesaugt wird, um über eine Wärmequelle, z. B. über dampfgeheizte Rohrschlangen oder elektrische Widerstände, dem Verschalungsraum wieder zugeführt zu werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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