DE69716258T2

DE69716258T2 - Dampfturbine

Info

Publication number: DE69716258T2
Application number: DE69716258T
Authority: DE
Inventors: Lars Kaellberg
Original assignee: ABB Stal AB
Current assignee: ABB Stal AB
Priority date: 1996-05-15
Filing date: 1997-05-14
Publication date: 2003-06-18
Anticipated expiration: 2017-05-15
Also published as: EP0898640B1; JP2000510216A; DE69716258D1; EP0898640A1; SE9601870D0; US6162013A; SE9601870L; WO1997043522A1; SE509390C2

Description

Hintergrund der Erfindung und Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Dampfturbine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, siehe FR-A-25 89 517.
Dampfturbinen mit einem solchen Zwischen-Dampfauslaß sind bekannt. Sie werden in vielen unterschiedlichen Gebieten verwendet, wie beispielsweise der chemischen Industrie oder der Verfahrenstechnik, wo eine Notwendigkeit dafür besteht, Dampf mit bestimmten Druck oder bestimmter Temperatur zu verwenden. Ein Beispiel dafür ist eine Papierfabrik, wo Dampf relativ hoher Temperatur für die Herstellung der Pulpe benötigt wird und Dampf mit relativ niedriger Temperatur zum Trocknen des Papiers erforderlich ist.
Um den Dampfauslaß zu steuern sind Ventilanordnungen bekannt. Man unterscheidet diesbezüglich zwischen einem intern gesteuerten Auslaß und einem extern gesteuerten Auslaß. Der extern gesteuerte Auslaß umfasst im wesentlichen einen Ventilmechanismus, der in der Auslaßleitung angeordnet ist, der intern gesteuerte Auslaß basiert auf einem Ventilmechanismus innerhalb des Gehäuses der Dampfturbine. Eine Anzahl unterschiedlicher Lösungen wurden in der Vergangenheit vorgeschlagen.
Gemäß einer Lösung wird der Dampf aus einem ersten Turbinenteil radial auswärts geleitet und in Kammern gesammelt, die sich radial außerhalb des normalen Gehäuses der Turbine befinden. Der Dampf, der nicht ausgestoßen wird, wird mittels einer Ventilanordnung entlang eines komplizierten Strömungsweges radial nach innen zum Einlaß eines zweiten Turbinenteils geleitet. Diese Lösung ist sehr raumaufwendig und stört die Strömung des Dampfes, was einen relativ hohen Druckverlust zur Folge hat.
Gemäß einer anderen Lösung wird stromab von der Dampfauslaßöffnung eine drehbare Scheibe mit einer Zahl von Öffnungen positioniert. Die Scheibe befindet sich aber stromauf einer Trennwand mit einer entsprechenden Zahl von Öffnungen. Durch Drehung der Scheibe können die Öffnungen in der Scheibe mit den Öffnungen in der Trennwand zur Deckung gebracht werden, um so einen Dampfstrom von dem ersten Turbinenteil zu einem zweiten Turbinenteil zu ermöglichen. Die Nachteile dieser Lösung bestehen darin, dass die Drehung der Scheiben Kräfte erfordert, die schwierig aufzubringen sind, wenn der Dampftruck hoch ist und weiterhin darin, dass der Durchtrittsquerschnitt auf die Hälfte des Einlaßquerschnitts des Turbinenteils stromab der Trennwand begrenzt ist. Auch bei dieser Lösung wird die Dampfströmung gestört, was einen relativ hohen Druckverlust zur Folge hat.
Nach einer weiteren Lösung ist die Trennwand stromab der Dampfauslaßöffnung in einer Ebene angeordnet, zu der die Längsachse der Turbine die Normale bildet. Besagte Wand hat eine Zahl von Durchlässen, die mit Ventilscheiben ausgerüstet sind, die mit Ventilsitzen zusammenarbeiten, die in einer Ebene liegen, die senkrecht zur erstgenannten Ebene ausgerichtet sind. Die Ventilscheiben können von den Sitzen in tangentialer Richtung abgehoben werden. Auch diese Anordnung führt zu einem komplizierten Strömungsweg, der verschiedene Richtungsänderungen der Dampfströmung zur Folge hat.
Die FR-A-25 89 517 offenbart eine Dampfturbine mit einem ersten Turbinenteil, einem Dampffauslaß, einer Zwischenwand mit vier Dampfdurchtrittskanälen und einem zweiten Turbinenteil. Jeder Dampfdurchtrittskanal weist eine Ventilscheibe auf, die um eine Achse drehbar ist, die in tangentialer Richtung bezüglich der Drehachse der Dampfturbine ausgerichtet ist.
Die US-A-2 235 547 offenbart eine Dampfturbine ohne Dampfauslaß. Dieses Dokument nennt jedoch eine Bypassleitung, die die Strömung an einer Zahl von Turbinenstufen vorbei leiten kann. Die Bypassleitung weist eine Ventilscheibe auf, die radial verlagerbar ist, aber derart angeordnet ist, dass die Dampfströmung umdirigiert wird, um eine im wesentlichen radiale Strömungsrichtung anzunehmen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die oben genannten Probleme zu überwinden und eine verbesserte Einrichtung zur Regulierung der Dampfströmung zu schaffen, die von einer Zwischenstufe der Dampfturbine ausgestoßen wird. Die Einrichtung soll insbesondere kompakt ausgestaltet und leicht zu bedienen sein.
Die Aufgabe wird mittels einer Dampfturbine gelöst, wie sie eingangs definiert wurde und die sich dadurch auszeichnet, dass sich die besagte Achse im wesentlichen radial im Hinblick auf die Längsachse erstreckt. Durch eine solche Ventileinrichtung kann die Ventilscheibe innerhalb des im wesentlichen axialen Dampfstroms angeordnet werden. Die baulichen Abmessungen der Ventileinrichtung werden dadurch klein und die Ventilscheibe benötigt keinen zusätzlichen radialen Raum. Das bedeutet, dass der übliche Außendurchmesser des Gehäuses einer Dampfturbine beibehalten werden kann. Weiterhin können durch eine solche rotierbare Ventilscheibe die Kräfte der Dampfströmung, die auf die Ventilscheibe wirken, bezüglich der Achse der Scheibe ausbalangsiert werden, so dass die Kräfte, die benötigt werden, um die Position des Ventils zu justieren, relativ niedrig sind. Weiterhin hat die Ventilscheibe durch den relativ kleinen Öffnungsgrad der Ventileinrichtung eine Richtungskomponente, die in die Richtung der Dampfströmung zeigt, so dass die Dampfströmung geleitet und nicht gedrosselt wird. Solche eine Ventileinrichtung erlaubt die interne Steuerung des Dampfauslasses für ein externes Verfahren mit einem konstanten Druck des ausgeblasenen Dampfes innerhalb eines weiten Strömungsbereichs. Gemäß einer Ausführung ist der Durchlass so geformt, dass die Richtung des durchfließenden Dampfes im wesentlichen axial und peripher in Drehrichtung des Rotors liegt. Dadurch wird ein relativ grader Dampfströmungsweg erreicht, der minimale Druckverluste zur Folge hat. Es wird dadurch auch möglich, eine hohe Geschwindigkeit des Dampfs durch die Durchtrittseinrichtungen und Ventileinrichtung sicherzustellen. Durch die genannten Maßnahmen wird die Leistung der Dampfturbine verbessert. Durch die Richtung der Ventilscheibenachse kann die Ventilscheibe die Strömung zum Einlass des zweiten Turbinenteils leiten, unabhängig vom Winkel der Ventilscheibe.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Ventileinrichtung eine Steuereinrichtung auf, mit der die Drehung der Ventilscheibe gesteuert werden kann. Die Steuereinrichtung kann daher so ausgestaltet sein, dass sie die Drehung der Ventilscheibe steuert, um die Dampfströmung durch die Durchtrittseinrichtung und somit auch den Dampfdruck des Zwischen-Dampfauslasses zu steuern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Achse der Ventilscheibe im wesentlichen senkrecht zu besagter Längsachse gerichtet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform formt die Durchtrittseinrichtung unterschiedliche Kammern, die sich jeweils zwischen einer Ventilscheibe und einem Teil des Einlasses der zweiten Turbinenstufe befinden. Durch eine solche Ausführungsform kann die Dampfturbine mit nur einem Teil der Strömung wirkungsvoll betrieben werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Durchschnittseinrichtung so geformt, dass die Querschnittsfläche des Dampfauslasses im wesentlichen mit der Querschnittsfläche des Einlasses des zweiten Turbinenteils korrespondiert. Auf diese Weise kann der in dem zweiten Turbinenteil eingeleitete Dampf über die gesamte Einlassfläche dieses Turbinenteils verteilt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Durchtrittseinrichtung zwei oder mehr Durchtrittskanäle durch die Trennwand auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die radiale Distanz von besagter Längsachse zur Auslassseite des ersten Turbinenteils im wesentlichen der gleiche wie zur Einlassseite der Durchtrittskanaleinrichtung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Dampfturbine ein Gehäuse auf, dass die benannten Komponenten enthält. Die Ventileinrichtung kann auch eine Antriebseinrichtung aufweisen, die außerhalb des Gehäuses angeordnet ist und die mit der Ventilscheibe über eine Welle verbunden ist, die sich durch das Gehäuse hindurch erstreckt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird nun genauer durch die Beschreibung unterschiedlicher Ausführungsformen und der dazugehörigen Figuren erklärt. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Dampfturbine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 einen Querschnitt durch die Dampfturbine gemäß Fig. 1 und
Fig. 3 einen Schnitt durch die Linie III-III in Fig. 2.

Genauere Beschreibung der unterschiedlichen Ausführungsformen

Fig. 1 zeigt eine Dampfturbine 1 mit einem schematisch angedeuteten Dampfeinlaß 2 und einem schematisch angedeuteten Dampfauslaß 3. Die Endbereiche der Dampfturbine 1 wurden in Fig. 1 weggelassen. Die Dampfturbine 1 weist einen Rotor 4 auf, der in einem Gehäuse 5 gelagert ist und der um eine Längsachse 6 drehbar ist. Stromab des Dampfeinlasses 2 ist eine Einlasskammer 7 vorgesehen, der sich ein erstes Turbinenteil 8 mit einer Zahl von Turbinenstufen anschließt, die jeweils aus einem stationären Führungschaufelradkranz 9 und einem Rotorschaufelrad 10 bestehen. Es wird darauf verwiesen, dass die Einlasskammer 7 in zwei oder mehr individuell gesteuerte Einlasskammern aufgeteilt sein kann, um so einen Teilbetrieb zu erlauben.
Stromab des Turbinenteils 8 ist ein Raum 11 vorgesehen, der einen Zwischendampfauslaß 12 aufweist. Stromab des Raumes 11 ist eine Trennwand 13 mit vier Durchlasskanälen 14 vorgesehen, wie dies in Fig. 2 und 3 gezeigt ist. Die Einlaßseite der Durchlässe 14 weist eine Ventileinrichtung in Form einer Ventilscheibe 15 auf, die nachfolgend beschrieben werden wird. An die Auslassseite der Durchlässe 14 schließt sich ein zweiter Turbinenteil 16 mit einer Zahl von Turbinenstufen an, die jeweils aus einem stationären Führungsschaufelradkranz 17 und einem Rotorschaufelrad 18 bestehen. Stromab des zweiten Turbinenteils 16 folgt der Auslass 3. Die Turbine 1 kann mehrere Zwischen-Dampfauslässe aufweisen, wie sie mit 19 bezeichnet sind, wobei die Auslässe unterschiedliche Abmessungen aufweisen können und unterschiedlichen Zwecken dienen können.
Wie sich aus den Fig. 1 bis 3 ergibt, kann eine Ventilscheibe 15 in jedem der Durchlaßkanäle 14 so angeordnet sein, dass sie um eine Achse 20 verdrehbar ist, wodurch ein sogenanntes Schmetterlingsventil gebildet wird. Die Achse 20 erstreckt sich im wesentlichen durch das Zentrum der Ventilscheibe 15 und zwingt daher die Dampfströmung, die auf die Ventilscheibe 15 wirkt, sich gleichmäßig aufzuteilen, so dass die Kräfte, die auf jeder Seite der Achse 20 wirken, gleich sind. Somit kann die Ventilscheibe 15 mit relativ niedriger Kraft verdreht werden, wodurch der Betrieb der Ventilscheibe 15 erleichtert wird. In Richtung der Achse 20 gesehen, hat jede Ventilscheibe 15 eine konvexe Kontur die eine Fläche einschließt, welche die Achse 20 enthält. Solch eine Form ist vorteilhaft für die Führung der Strömung durch den Kanal bzw. den Durchlass. Es wird darauf verwiesen, dass die Ventilscheibe, gesehen in Richtung der Achse 20, auch andere Formen aufweisen kann. Beispielsweise kann die Ventilscheibe im wesentlichen flach sein, sie kann auch auf einer Seite konkav und auf der anderen konvex geformt sein. In Richtung der Durchlaßkanäle 14 gesehen, ist jede Ventilscheibe 15 bei den gezeigten Ausführungsformen rund. Es sind jedoch auch andere Formen möglich, z. B. eine ovale oder elliptische Form oder auch eine mehr rechteckige oder polygonale Form. Jede der Ventilscheiben 15 ist mit entsprechenden Antriebsmitteln 21 über eine drehbare Welle 22 verbunden. Jede individuelle Antriebseinrichtung 21 kann mit dem Steuersystem der Dampfturbine 1 verbunden sein, das schematisch mit 23 bezeichnet ist.
Wie in Fig. 1 und 2 gezeigt ist, ist die Antriebseinrichtung 21 außerhalb des Gehäuses 5 vorgesehen und die Wellen 22 erstrecken sich durch das Gehäuse längs der Achse 20 in einer im wesentlichen radialen Richtung. Es soll darauf hingewiesen werden, dass die Achse 20 aber auch in einer anderen als der radialen Richtung verlaufen kann, beispielsweise in einer tangentialen Richtung. Achse 20 kann auch im Hinblick auf die Längsachse der Dampfturbine vorwärts oder rückwärts geneigt sein.
Wie sich aus den Fig. 2 und 3 ergibt, erstrecken sich die Durchlaßkanäle 14 in einer im wesentlichen axialen und peripheren Richtung in der Drehrichtung des Rotors 4. Jeder Durchlaß bzw. Kanal 14 formt eine getrennte Kammer zwischen einer Ventilscheibe 15 und dem Einlaß 17 des zweiten Turbinenteils 16. Der Einlaß des zweiten Turbinenteils ist durch einen Führungsschaufelradkranz 17 gebildet wie sich dies aus Fig. 3 ergibt. Wie in Fig. 2 zu sehen ist nimmt jeder Kanal 14 und das zugeordnete Scheibenventil im wesentlichen ein Viertel der Gesamteinlaßfläche des Führungsblattradkranzes 17 ein. Es soll darauf hingewiesen werden, dass jede solche Kammer von der benachbarten Kammer abgeschlossen ist, so dass ein Übertreten des Dampfes von einer Kammer zur anderen verhindert wird. Diese Anordnung erlaubt einen wirkungsvollen Teillastbetrieb, z. B. mit einer Ventilscheibe 15 in Offenstellung und drei Ventilscheiben 15 in geschlossener Stellung.
Die Querschnittsfläche der Kanäle 14 ist in Strömungsrichtung abnehmend. Wie man den Figuren auch entnimmt, korrespondiert die Querschnittsfläche der Kanäle 14 am Auslaß im wesentlichen mit der Querschnittsfläche des Einlasses des zweiten Turbinenteils 16.
Häufig ist es erwünscht den Druck des die Turbine 1 durch den Zwischen- Dampfauslaß 12 verlassenden Dampfes auf einem konstanten Druck zu halten. Dies kann durch eine Ventileinrichtung bewirkt werden, wie sie in Fig. 1 bis 3 gezeigt wird, indem diese die Drehung oder den Öffnungswinkel der Ventilscheibe 15 steuert. Wenn alle Ventilscheiben 15 geschlossen sind, wird eine maximale Dampfströmung durch den Zwischen-Dampfauslaß 12 geführt. Durch ein leichtes Öffnen einer oder mehrerer der Ventilscheiben 15 wird ein Teil des Dampfes durch den korrespondierenden Durchlaß oder die Durchlässe 14 zum zweiten Turbinenteil 16 geführt, wodurch die Dampfströmung reduziert und der Druck des Zwischen-Dampfauslasses 12 ebenfalls reduziert wird. Der Druck des Dampfes, der durch den Auslaß 12 entweicht, kann daher konstant gehalten werden, obwohl die Dampfströmung durch die Dampfturbine 1 innerhalb eines weiten Bereiches variiert.
Vorliegende Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann innerhalb des Schutzbereichs der folgenden Ansprüche variiert und modifiziert werden. Beispielsweise können die gleitbaren Ventilscheiben 25 kleiner gemacht werden und dafür benutzt werden, eine Öffnung eines Kanals abzudecken, wie in Fig. 1 bis 3 gezeigt ist. Auch kann die Dampfturbine 1 mehr als einen Zwischen-Dampfauslaß 12 und Ventileinrichtung 15 aufweisen, z. B. mit einem Turbinenteil, der wenigstens eine Turbinenstufe zwischen jeder solchen Auslaßanordnung aufweist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann ein Bypasskanal in einer oder mehrerer der Durchlässe 14 vorgesehen sein, um deren Dampfstrom an dem ersten Führungsschaufelradkranz 17 und dem ersten Rotorschaufelrad 18 vorbei zu führen. Auf diese Weise kann eine größere Dampfströmung durch den zweiten Turbinenteil 16 hindurch treten.

Claims

1. Dampfturbine, umfassend einen um eine Längsachse (6) drehbaren Rotor (4), sowie folgende sukzessive angeordnete Komponenten:

einen Dampfeinlaß (2); einen ersten Turbinenteil (8) mit mindestens einer Turbinenstufe; einen Zwischen-Dampfauslaß (12); eine Trennwand (13) mit einer Dampfkanaleinrichtung (14); einen zweiten Turbinenteil (16) mit mindestens einer Turbinenstufe; und einen Dampfauslaß (3), wobei die Kanaleinrichtung (14) mit einer Ventileinrichtung (15) ausgestattet ist, ausgebildet zum Steuern des durchgehenden Dampfstroms, wobei die Ventileinrichtung mindestens eine Ventilscheibe (15) aufweist, die um eine Achse (20) im wesentlichen rechtwinklig zum Dampfstrom benachbart der Ventileinrichtung drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (20) sich im wesentlichen radial bezüglich der Längsachse (6) erstreckt.

2. Dampfturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung (15) eine Steuereinrichtung (21, 23) aufweist, ausgelegt zum Steuern der Drehung der Ventilscheibe (15).

3. Dampfturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (21, 23) dazu ausgebildet ist, die Drehung der Ventilscheibe (15) zum Regulieren des Dampfstroms durch die Kanaleinrichtung (14) und mithin des Drucks des Dampfs an dem Zwischen-Dampfauslaß (12) zu steuern.

4. Dampfturbine nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanaleinrichtung (14) derart geformt ist, dass die Richtung des durch sie durchgehenden Dampfs im wesentlichen axial und peripher in der Drehrichtung des Rotors (6) verläuft.

5. Dampfturbine nach einem der vorhergehende Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilscheibenachse (20) im wesentlichen rechtwinklig zu der Längsachse (6) verläuft.

6. Dampfturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanaleinrichtung (14) getrennte Kammern bildet, die sich jeweils zwischen einer Ventilscheibe (15, 25) und einem Teil des Einlasses des zweiten Turbinenteils (16) erstrecken.

7. Dampfturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanaleinrichtung (14, 27) derart geformt ist, dass ihre Dampfauslaß-Querschnittsfläche im wesentlichen der Querschnittsfläche des Einlasses des zweiten Dampfturbinenteils (16) entspricht.

8. Dampfturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanaleinrichtung (14) zwei oder mehr Kanäle durch die Trennwand aufweist.

9. Dampfturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Abstand von der Längsachse (6) zu der Auslaßseite des ersten Turbinenteils (8) im wesentlichen der gleiche ist wie zu der Einlaßseite der Kanaleinrichtung (14, 27).

10. Dampfturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (5), das die Komponenten umschließt.

11. Dampfturbine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtung (14, 27) eine Antriebseinrichtung (21, 30) außerhalb des Gehäuses (5) aufweist, die an die Ventilscheibe (15, 25) über eine Welle (20, 21) gekoppelt ist, die sich durch das Gehäuse (5) hindurch erstreckt.