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Die
Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine,
insbesondere eine Dampfturbine mit einem Innengehäuse und
einem Außengehäuse, die
voneinander beabstandet sind, so dass zwischen dem Innengehäuse und
dem Außengehäuse ein
Spalt gebildet wird.
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Wie
in der deutschen Patentanmeldung
DE 35 22 916 A1 beschrieben, ist bekannt,
dass beim Betrieb einer Strömungsmaschine,
insbesondere einer Dampfturbine, sich das Innengehäuse, das
Außengehäuse sowie
der Turbinenrotor aufgrund von unterschiedlichen Temperaturen, die
auf diese Teile der Strömungsmaschine
einwirken, zu einem unterschiedlichen Maß ausdehnen. Deshalb wird gewöhnlich der
Axialdehnungsunterschied zwischen den Gehäusen und dem Turbinenrotor
durch Übertragungsmittel
ausgeglichen. Da auch die auf das Innengehäuse und das Außengehäuse einwirkenden
Temperaturen unterschiedlich sind, kann in dem Innengehäuse und
dem Außengehäuse ein
Temperaturgradient entstehen, der im Betrieb der Strömungsmaschine
sowie bei ihrem Abkühlen
zu unterschiedlichen Verformungen führen kann.
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Die
britische Patentschrift 740 944 betrifft Wärmeturbinen, insbesondere Dampfturbinen,
die ein durch einen Spalt von einem Außengehäuse getrenntes Innengehäuse aufweisen.
Die Turbine wird durch ein Antriebsmedium angetrieben, von dem ein Teil
abgezweigt ist und durch den Spalt zwischen dem Innen- und dem Außengehäuse hindurchgeführt wird.
Im Betrieb der Turbine wirkt dieser Teil des Antriebsmediums als
ein Kühlmittel
für das
Außengehäuse, so
dass das heiße
Innengehäuse
von dem kalten Außengehäuse thermisch
getrennt ist. Es sind Rippen an der Innenfläche des Außengehäuses- befestigt, um die Wärmeübertragung
am Außengehäuse zu verbessern.
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Die
US-PS 5,388,960 betrifft
eine Zwangsluftkühlvorrichtung
einer Dampfturbine in einem Hochtemperatur zustand kurz nach einer
Betriebsabschaltung der Dampfturbine. Diese Vorrichtung dient dem
sicheren und schnellen Kühlen
der Turbine.
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Die
US-PS 3,746,463 betrifft
eine axialdurchströmte
Mehrstufen-Dampfturbine mit einem Innen- und einem Auflengehäuse. Das
Innengehäuse
ist im Außengehäuse so angebracht,
dass es eine axiale Relativbewegung einschränkt und eine freie radiale Relativbewegung
zwischen dem Innen- und dem Auflengehäuse, die durch Temperaturänderungen verursacht
wird, gestattet. Deshalb ist das Innengehäuse durch mehrere Keile und
Keilnute, Passstifte und axiale Passsitze im Auflengehäuse befestigt
und wird durch Feder- und Nutteile erhalten, die das Innengehäuse bezüglich des
Außengehäuses axial festlegen
und dennoch eine freie Radialbewegung des Innengehäuses bezüglich des
Außengehäuses gestatten.
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Eine
Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Strömungsmaschine,
bei der Wärmeverformungen
des Auflengehäuses
geringer sind als ein kritischer Wert.
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Angesichts
der obigen und anderer Aufgaben wird gemäß der Erfindung eine Strömungsmaschine,
insbesondere Dampfturbine, mit einer Hauptachse, einem Innengehäuse, einem
Außengehäuse, einem
oberen Bereich und einem unteren Bereich bereitgestellt, wobei das
Außengehäuse das
Innengehäuse
so umgibt, dass ein radialer Spalt gebildet wird, der im unteren
Bereich einen schmalen Teil aufweist, weiterhin mit einem Montageabschnitt
zur Montage des Innengehäuses
am Außengehäuse und einem
sich entlang der Hauptachse erstreckenden Beschaufelungsbereich,
wobei sich der schmale Teil entlang der Hauptachse außerhalb
des Montagebereichs so erstreckt, dass er den Beschaufelungsbereich
zumindest teilweise axial überlappt,
wobei sich das Innengehäuse in
dem Spalt zum Außengehäuse zur
Bildung des schmalen Teils erstreckt.
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Die
Erfindung beruht auf der physikalischen Wirkung, dass bei Abschalten
einer Strömungsmaschine
das Innengehäuse
und das Außengehäuse auf
unterschiedlichen Temperaturen bleiben. Aufgrund dieses Temperaturunterschieds
wird ein gasförmiges
Medium, wie zum Beispiel Dampf, im Spalt (Raum) zwischen dem Innengehäuse und
dem Außengehäuse in eine
Wärmekonvektionsbewegung (eine
temperaturgradientengetriebene Strömung) versetzt, die vom unteren
Bereich zum oberen Bereich der Strömungsmaschine gerichtet ist.
Dies kann zu einem Temperaturunterschied im Außengehäuse führen, wobei im oberen Bereich
eine höhere Temperatur
herrscht als im unteren Bereich. Solch ein Temperaturgradient im
Außengehäuse über die Höhe des Außengehäuses kann
nach Blockieren der Turbine zu einem Verwinden des Außengehäuses vom
oberen Bereich zum unteren Bereich führen. Unter gewissen kritischen
Bedingungen kann dies zu einer Radialverschiebung des Innengehäuses und
einem Aneinanderreiben der Laufschaufeln des Rotors am Innengehäuse führen.
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Die
Verengung des Spalts zwischen dem Innengehäuse und dem Außengehäuse im unteren
Bereich führt
zu einer besseren Wärmeübertragung vom
Innengehäuse
zum Außengehäuse sowie
zu einer höheren
Konvektionsrate, insbesondere einer turbulenten Konvektion, im oberen
Bereich. Dies führt
zu einem superlinearen Temperaturprofil über die Höhe des Außengehäuses. Dies bedeutet, dass das
Temperaturprofil im Außengehäuse einen
Temperaturgradienten (Temperaturänderung
pro Längeneinheit ΔT/ΔH) im unteren
Bereich aufweist, der größer ist
als 1. Die Wärmespannungen
im Außengehäuse sind
deshalb verringert, so dass die Wahrscheinlichkeit eines Verwindens
des Außengehäuses entlang
der Hauptachse verringert ist. Der Raum zwischen dem Innengehäuse und
dem Außengehäuse ist
entlang der Hauptachse verkleinert. Die Erfindung ist auch auf eine
Turbine, insbesondere eine Dampfturbine, anwendbar, die einen Schaufelträger für die Leitschaufeln
statt eines Innengehäuses
oder zusätzlich
dazu aufweist.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung ist eine zusätzliche Wärmekontaktmasse thermisch an
das Innengehäuse
gekoppelt und befindet sich im unteren Bereich. Die zusätzliche
Masse kann aus dem gleichem Material wie das Innengehäuse bestehen.
Es ist möglich,
dass diese zusätzliche Masse
einen Teil des Innengehäuse
bildet, und zwar insbesondere einstückig zusammen mit dem Innengehäuse gegossen,
mit dem Innengehäuse
verschweißt
oder auf geeignete Weise am Innengehäuse befestigt ist.
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Gemäß noch einem
zusätzlichen
Merkmal der Erfindung kann diese zusätzliche Masse oder dieser zusätzliche
Teil des Innengehäuses
ungefähr einen
dreieckigen Querschnitt, einen rechteckigen Querschnitt oder einen
anderen Querschnitt aufweisen, der gemäß der besonderen Geometrie
des Innengehäuses
und des Außengehäuses sowie
den physikalischen Parametern für
den Betrieb der Strömungsmaschine
geeignet ist.
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Die
zusätzliche
Masse oder der zusätzliche Teil
des Innengehäuses
ist vorzugsweise entlang der Hauptachse ausgerichtet und stellt
eine Rippe am Innengehäuse
bereit.
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Gemäß noch einem
zusätzlichen
Merkmal der Erfindung befindet sich eine Ausgleichsmasse im oberen
Bereich, die insbesondere mit dem Innengehäuse verbunden ist. Diese Ausgleichsmasse
führt zu
einem Beitrag zur Masse des Innengehäuses, so dass die Mittellinie
der Masse mit der Hauptachse der Strömungsmaschine zusammenfällt. Die
Ausgleichsmasse kann eine ähnliche
Form aufweisen wie die zusätzliche
Masse, so dass eine Symmetrie des Innengehäuses hergestellt wird. Des
Weiteren ist die Ausgleichsmasse vorzugsweise entlang der Hauptachse
ausgerichtet.
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Weiterhin
ist es im Prinzip möglich,
dass sich das Außengehäuse im unteren
Bereich zum Innengehäuse
hin erstreckt, um den Spalt zwischen dem Innengehäuse und
dem Außengehäuse zu bilden.
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Bei
der Strömungsmaschine
handelt es sich vorzugsweise um eine Hochdruckdampfturbine oder um
eine Zwischendruckdampfturbine.
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Gemäß noch einem
weiteren Merkmal der Erfindung umfasst das Innengehäuse zwei
Gehäuseteile,
die entlang einer horizontalen Ebene voneinander getrennt werden
können.
Jeder Gehäuseteil weist
vorzugsweise einen horizontalen, radial nach außen gerichteten Flansch auf.
Die Gehäuseteile sind
vorzugsweise durch diese Flansche mechanisch aneinander befestigt.
Zur Aneinanderbefestigung der Flansche können gewöhnlich Muttern und Schrauben
oder dergleichen verwendet werden. Des Weiteren verkleinern diese
Flansche den Spalt zwischen dem Innengehäuse und dem Außengehäuse in einer horizontalen
Ebene zwischen dem oberen Bereich und dem unteren Bereich. Eine
Konvektionsdampfströmung
vom unteren Bereich zum oberen Bereich, oder umgekehrt, ist in diesem
Fall eingeschränkt.
Unter diesen Umständen
ist eine Verengung des Spalt im unteren Bereich aufgrund des schmalen
Teils besonders wirksam, weil dann Wärmeübertragung zwischen dem Innengehäuse und
dem Außengehäuse verbessert
wird und die Temperatur im Außengehäuse im unteren
Bereich ansteigt.
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Obgleich
die Erfindung hier in Ausgestaltung einer Dampfturbine dargestellt
und beschrieben wird, soll sie nichtsdestotrotz nicht auf die gezeigten
Details beschränkt
werden, da an ihr verschiedene Modifikationen und Konstruktionsänderungen
durchgeführt
werden können,
ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen und die im Schutzbereich
und Äquivalentenumfang
der Ansprüche
liegen. Die Erfindung kann für
alle Arten von Strömungsmaschinen
mit Innen- und Außengehäuse verwendet
werden, wie zum Beispiel Dampfturbinen und Gasturbinen und dergleichen.
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Die
Ausführung
der Erfindung wird jedoch zusammen mit ihren zusätzlichen Aufgaben und Vorteilen
aus der folgenden Beschreibung der besonderen Ausführungsform
bei Lektüre
in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen am besten verständlich.
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In
der Zeichnung werden die Teile einer Strömungsmaschine, die zum Verständnis der
Erfindung nützlich
sind, ausführlich
beschrieben, und die gemeinhin für
eine Strömungsmaschine
verwendeten Teile werden nicht ausführlich beschrieben.
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Die
Zeichnung ist teilweise schematisch und teilweise nicht maßstäblich. Es
zeigen:
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1 eine
Schnittansicht entlang der Hauptachse einer Zwischendampfturbine,
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2 unterschiedliche
Temperaturprofile über
die Höhe
des Außengehäuses,
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3 die
Wärmeverformung
entlang der Hauptachse aufgrund der Temperaturgradienten von 2 und
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4 und 5 eine
Querschnittsansicht durch die Dampfturbine von 1.
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Nunmehr
auf die Figuren im Detail Bezug nehmend, zeigt 1 eine
Schnittansicht durch eine Hochdruckdampfturbine 1 entlang
einer Hauptachse 2 der Dampfturbine 1. Die Dampfturbine 1 umfasst
einen Turbinenrotor 15, der die Laufschaufeln 17 trägt. Der
Turbinenrotor 15 wird axial und in Umfangsrichtung von
einem Innengehäuse 3 umgeben,
das die Leitschaufeln 18 trägt. Die Laufschaufeln 17 und
die Leitschaufeln 18 sind in einem Beschaufelungsbereich 24 angeordnet,
der sich entlang der Hauptachse 2 erstreckt. Das Innengehäuse 3 ist
von einem Außengehäuse 4 umgeben.
Im Betrieb der Dampfturbine 1 strömt ein Zwischendruckdampf von
einem Zuströmbereich 13 zu
einem Ausströmbereich 14 zwischen
denen die Leitschaufeln 18 und die Laufschaufeln 17 angeordnet
sind. Das Außengehäuse 4 ist
in einem sich in der Nähe
des Zuströmbereichs
befindenden Montagebereich 20 und in einem sich in der Nähe des Ausströmbereichs
befindenden Montagebereich 20 am Innengehäuse 3 angebracht.
Das Innengehäuse 3 umfasst
zwei Gehäuseteile 3A, 3B. Der
Gehäuseteil 3B befindet
sich in einem unteren Bereich 6 der Dampfturbine 1,
und der Gehäuseteil 3A befindet
sich in einem oberen Bereich 5 der Dampfturbine 1.
Zwischen dem Innengehäuse 3 und dem
Außengehäuse 4 verbleibt
ein radialer Spalt 7, der einen kreisrunden Querschnitt
aufweist und sich entlang der Hauptachse 2 erstreckt. Der
Spalt 7 ist im unteren Bereich 4 entlang der Hauptachse 2 verengt (schmaler
Teil 8, siehe 4, 5) und überlappt zumindest
teilweise axial den Beschaufelungsbereich 24 außerhalb
der Montagebereiche 20 und insbesondere zwischen ihnen.
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In 2 werden
drei verschiedene Temperaturprofile 21, 22, 23 über die
Höhe des
Außengehäuses 3 gezeigt.
Die Höhe
des Außengehäuses 3 wird vom
unteren Ende des Außengehäuses 3 zum
oberen Ende des Außengehäuses 3 gezählt. Die
Höhe des
Außengehäuses 3 am
oberen Ende wird als Htop und die Höhe des Außengehäuses 3 an
der Hauptachse 2 als H2 bezeichnet.
Der Temperaturunterschied zwischen dem unteren und dem oberen Ende des
Außengehäuses 3 wird
als ΔT bezeichnet.
Das Temperaturprofil 22 ist ein lineares Temperaturprofil. Das
Temperaturprofil 23 ist ein superlineares Temperaturprofil,
was bedeutet, dass der Temperaturunterschied zwischen dem unteren
Ende und der Hauptachse 2 größer ist als der Temperaturunterschied zwischen
der Hauptachse und dem oberen Ende. Das Temperaturprofil 21 ist
sublinear, was bedeutet, dass der Temperaturunterschied zwischen
dem unteren Ende und der Hauptachse 2 kleiner ist als der Temperaturunterschied
zwischen der Hauptachse 2 und dem oberen Ende des Außengehäuses 3.
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Diese
Temperaturprofile bewirken ein unterschiedliches Verwinden des Außengehäuses 3 entlang
der Hauptachse 2. 3 zeigt
das Ergebnis einer numerischen Berechnung der Verwindung des Außengehäuses 4 für die in 2 gezeigten
Temperaturprofile.
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In
den 4 und 5 wird eine Querschnittsansicht
durch die Dampfturbine 1 gezeigt. Das Innengehäuse 3 umfasst
zwei Gehäuseteile 3A, 3B,
die auf einer Horizontalebene 11 aneinander angebracht
sind. Jeder Gehäuseteil 3A, 3B weist
zwei Flansche 12A, 12B auf, die einander gegenüber angeordnet
sind. Das Außengehäuse 4 weist
einen kreisrunden Querschnitt auf. Das Innengehäuse 3 weist einen
kreisrunden Querschnitt mit radial nach außen gerichteten Rippen auf.
Zwei dieser Rippen werden durch die horizontalen Flansche 12A, 12B gebildet.
Die vertikal ausgerichteten Rippen werden durch eine zusätzliche
Masse 9 gebildet, die sich im unteren Bereich 6 der
Dampfturbine 1 befindet. Eine weitere vertikale Rippe wird
durch eine Ausgleichsmasse 10 gebildet, die sich im oberen
Bereich 5 der Dampfturbine 1 befindet. Zwischen
dem Außengehäuse 4 und
dem Innengehäuse 3 verbleibt
ein ringförmiger
radialer Spalt 7. Dieser Spalt 7 ist im Bereich der
Horizontalebene 11 durch die Flansche 12A, 12B verengt.
Zwischen dem Außengehäuse 4 und
den Flanschen 12A, 12B wird ein horizontaler,
schmaler Teil 19 des Spalts 7 bereitgestellt.
Ein weiterer schmaler Teil 8 des Spalts 7 wird
durch die zusätzliche
Masse 9 gebildet, die sich im Spalt 7 zum Außengehäuse 4 erstreckt.
In der Ausführungsform
nach 4 weisen alle Rippen (zusätzliche Masse 9, Ausgleichsmasse 10 und
Flansche 12A, 12B) ungefähr einen rechteckigen Querschnitt
auf. Die Ausgleichsmasse 10 und zusätzliche Masse 9 erstrecken
sich entlang der Hauptachse zumindest teilweise außerhalb
des Montagebereichs 20 (Montagevorrichtungen) und überlappen
(zumindest teilweise) axial den Beschaufelungsbereich 24.
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In 5 weist
die zusätzliche
Masse 9 ungefähr
einen dreieckigen Querschnitt auf. Es ist auch möglich, eine Ausgleichsmasse 10 bereitzustellen, die
auch ungefähr
einen dreieckigen Querschnitt aufweist.
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Während des
Abschaltens und Kühlens
der Strömungsmaschine 1 wird
eine natürliche
Konvektion von einem gasförmigen
Medium, Dampf, im Spalt 7 gestartet. Aufgrund der zusätzlichen
Masse 9 wird Wärme
vom Innengehäuse 3 zum
Außengehäuse 4 in
einem solchen Ausmaß übertragen,
dass natürliche
Konvektion auch im Spalt zwischen dem schmalen Teil 9 und
dem horizontalen schmalen Teil 19 auftritt. Aufgrund dieser
Konvektion wird Wärme
auch zum Außengehäuse 4 übertragen,
so dass die Temperatur T an der Innenfläche 25 des Außengehäuses 4 im
Bereich zwischen dem schmalen Teil 8 und der Horizontalebene 11 erhöht wird.
Die Temperatur des Innengehäuses 3 an
der Außenfläche 24 ändert sich an
Letzterer nicht viel.