DE7441827U

DE7441827U - Thermische turbomaschine, insbesondere dampfturbine

Info

Publication number: DE7441827U
Application number: DE7441827U
Authority: DE
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1974-11-18
Filing date: 1974-12-16
Publication date: 1976-09-16
Also published as: FR2291350A1; DE2459425C2; DE2459425A1; US4029432A; SE7512716L; CH578680A5; SE408574B; FR2291350B1

Description

; 137/74

Ro/ho

BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Thermische Turbomaschine insbesondere Dampfturbine

Die Erfindung betrifft eine thermische Turbomaschine, insbesondere Dampfturbine, mit einem Einlaufkanal, der durch die Innenfläche eines Innengehäuses und die einander gegenüberstehenden Flächen zweier Begrenzungsschalen begrenzt ist.

Dampfturbinen mit Innengehäusen "einschaliger Bauart¹¹ gehören
seit längerer Zeit zum Stand der Technik und werden vorwiegend als Niederdruckturbinen verwendet. Eine solche Turbine ist beispielsweise in der CH-PS *J16 677 dargestellt. Eine weitere,seit langem verwendete Turbine dieser Art ist in der Fig. 1 der vorliegenden Patentschrift gezeigt. Der für die Dampfzufuhr vorgesehene Einlaufkanal ist bei diesen Turbinen durch das Innengehäuse und zwei kegelförmige Begrenzungssühalen begrenzt. Gleich-

7441B27 1OS.7B

12 -: ■■ ■ ·■:·■ ^137/?l4

zeitig trennt jede Begrenzungsschale den Einlaufraum von einem diesem benachbarten Anzapfraum. Die Druck- und Temperaturwerte im Einlaufraum sind wesentlich höher als diejenigen in den Anzapfräumen, so dass gasdichte Abdichtungen zwischen Einlaufraum und Anzapfräumen erforderlich sind. Diese wurden bei den bekannten Turbinen d.urch starre und gasdichte Verbindungen der Aussenumfänge der Begrenzungsschalen mit der Innenfläche des Innengehäuses ausgeführt. Jedoch ist diese Ausführung in bezug auf verwendbare Drücke und Temperaturen dadurch begrenzt, dass die Begrenzungsschalen und das Innengehäuse in bezug auf Wärmedehnung einander gegenseitig beeinflussen und dadurch unerwünschte Spannungen und Deformationen in den begrenzungsschalen und dem Innengehäuse hervorrufen.

In der Tat bevirkt die im Einlaufraum herrschende Temperatur eine Dehnung der konvexen Innenfläche der Begrenzungsschale in Richtung ihrer Mantellinien und eine Durchbiegung derselben zufolge der unterschiedlichen Dehnung der der niedrigeren Anzapfraumteniperatur ausgesetzten konkaven Aussenfläche der Begrenaungsschale. Das Innengehäuse ist seinerseits in seinen verschiedenen Bereichen verschiedenen Temperaturen ausgesetzt und erleidet diesen entsprechende Deformationen. Zufolge der starren Koppelung awischen Begrenzungsschalen und Innengehäuse beeinflussen diese einander gegenseitig in unerwünschter Weise, Der Dampfdruck im Einlaufiaum der wie vorerwähnt höher ist als

7441827 16.09.76

137m

derjenige in den Anziapfräumen und als der ausserhalb des Innen- ! gehäuses herrschende Druck, ruft in den Begrenzungsschalen und ! im Mantel des Innengehäuses ebenfalls Spannungen und Deformationen hervor, die durch die genannte starre Koppelung einander
in unerwünschter Weise verstärken. Die gleichzeitige Einwirkung | von Druck und Temperatur steigert natürlich Spannungen und Deformationen in den Begrenzungsschalen und dem Innengehäuse. Dies -Ij erklärt die relativ niedrigen Temperaturen und Drücke, für die |

φ die Konstruktion mit "einschaligem¹¹ Innengehäuse verwendet wer- P

den kann. f

Für höhere Betriebstemperaturen und -drücke verwenden Turbinen- |

hersteller seit längerer Zeit eine Konstruktion mit einem Innen- |

f gehäuse "mehrschaliger" Bauart, die beispielsweise in der CH-PS |^:

426 888 dargestellt und beschrieben ist. Diese Konstruktion ver- | meidet tatsächlich die vorangehend beschriebenen Nachteile des
Innengehäuses einschaliger Bauart, jedoch ist sie kompliziert
und kostspielig.

Aufgabe der Erfindung ist es, die vorangehend aufgeführten Nach- | teile der bekannten thermischen Turbomaschinen zu vermeiden und |

eine Turbomaschine der genannten Art mit einem Innengehäuse ein- sf schaliger Bauart zu schaffen, bei welcher die zufolge der Be- # triebstemperaturen und -drücke auftretenden Spannungen und Deformationen im Innengehäuse und den den Einlaufraum begrenzenden ;

7441827 16.09.76

137/Υ"

Begrenzungssohaien so herabgesetzt sind, dass die Turbomaschine für wesentlich grössere Betriebstemperaturen und -drücke als bisher bei unverminderter Betriebssicherheit verwendet werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass zwischen dem Innengehäuse und jeder Begrenzungsschale Mittel zur Gewährleistung einer im Betrieb gasdichten Abdichtung zwischen einem starren Teil des Innengehäuses und der Begrenzungsschale, und Mittel zur Ermöglichung einer annähernd unbehinderten Wärmedehnung der Begrenzungsschale und zur Vermeidung der gegenseitigen Beeinflussung von Begrenzungsschale und Innengehäuse in bezug auf Wärmespannungen und -deformationen vorgesehen sind.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine bekannte Dampfturbine mit einem Innengehäuse einschaliger Bauart, bei welcher jede der beiden den Einlaufkanal begrenzenden Begrehzungsschalen an ihrem Umfang an der Innenwand des Innengehäuses starr befestigt ist;

Fig. 2 eine Ausführungsform des für die Erfindung wesentlichen Teils der Turbine, bei welcher die Begrenzungsschalen vom Innengehäuse getrennt sind und die Wärmedehnung jeder

7441827 16.09.76

Begrenzungsschale bei gasdichtem Kontakt zwischen dieser und dem Innengehäuse inpiner Ringnut eines mit dem Innengehäuse koaxiul angeordneten starren Ringes nahezu ohne Widerstand vor sich geht;

Pig, 3 eine der Au3führung?form nach Pig, 2 ähnliche Ausführung, bei welcher Begrer.aungsschalen vorgesehen sind, die ein Sonderprofil variabler Dicke beispielsweise aus Stahlguss aufweisen, und mit zusätzlichen elastischen Dichtungsschalen ausgestattet sind;

Fig. h eine andere, der Ausführungsform nach Pig. 2 ähnliche

Ausführung, bei welcher die gasdichte Abdichtung zwischen einer Begrenzungsschale und dem Innengehäuse durch Kontakt einer konischen konvexen Dichtungsfläche des starren Ringes mit einer konischen konkaven Dichtungsfläche der Begrenzungsschale gebildet ist;

e Fig. 5 eine Variante der Ausführungsform nach Fig. ¹J/bei wei

eher zusätzliche elastische Dichtungsschalen vorgesehen

sind;

Fig. 6 ein Diagramm, welches den Verlauf der zufolge der Wandtemperaturen und des Temperaturgefälles über die Wanddicke auftretenden Meridianbiegespannungen im Innengehäuse und den Begrenzungsschalen bei der bekannten starr eingespannten Konstruktion und der erfindungsgemässen

7441827 16.09.76

- 6 ή 137/7*»

wttrmebewegUohen . Konstruktion darstellt;

Pig. 7 ein Diagramm, welches den zulässigen Druck im Einlauf" raum als Punktion der Meridianbiegespannung darstellt, die zwischen der durch die Temperatur hervorgerufenen Meridianbiegespannung und der maximal zulässigen gesamten Meridianbiegespannung in der Innengehäusewand noch zur Verfügung steht.

In den verschiedenen Figuren sind gleiche Bestandteile durch gleiche Bezugsziffern bezeichnet.

Die in der Fig. 1 schematisch dargestellte bekannte Turbine weist einen für die Dampfzufuhr vorgesehenen Einlaufkanal 1 auf, der durch die Innenfläche 3 des Innengehäuses 2 und die einander gegenüberstehenden Flächen 4 zweier rotationssymmetrischer kegelförmiger Begrenzungsschalen 5 begrenzt ist. Der Aussenumfang jeder Begrenzungsschale 5 ist mit der Innenfläche 3 des Innengehäuseö 2 starr und gasdicht verbunden. Dadurch wird eine gasdichte Trennung des Einlaufkanals 1 von den benachbarten Anzapfräumen 6 gewährleistet. Die starre Koppelung der Begrenzungsschalen 5 mit dem Innengehäuse 2 bewirkt die schon erwähnte ungünstige gegenseitige Beeinflussung von Begrenzungsschalen 5 und Innengehäuse 2 in bezug auf Wärmespannungen und -deformationen.

7441827 16.09.76

-■ 7

In den Figuren 2,3,^,5 ist die Verbindung zwischen den den Einlaufraum 1 begrenzenden Begrenzungsschalen 5 und dem Innengehäuse 2 nicht mehr starr, sondern es ist eine unbehinderte Wärmedehnung der Begrenzungsschalen 5 relativ zum Innengehäuse 2, bzw. zu dem mit diesem starr verbundenen Ring 7 möglich, wobei jedoch wenigstens im Betrieb eine gasdichte Abdichtung zwischen Begrenzungsschalen 5 unde dem Ring 7 besteht. Die Mittel zur Gewährleistung dieser Abdichtung weisen eine am Ring 7 ausgebildete erste Dichtungsfläche 8 und eine dieser gegenüberstehende, und auf sie elastisch pressbare zweite Dichtungsfläche 9 auf. Der auf die Begrenzungsschale 5 einwirkende Betriebsdruck presst die zweite Dichtungsfläche 9 in Richtung zur ersten Dichtungsfläche 8, wobei zwischen den Dichtungsflächen 8 und 9 eine gasdichte Abdichtung gewährleistet wird.

Gegebenenfalls können die Begrenzungsschalen 5 relativ zum starren Ring 7 so angeordnet sein,, dass sich diese in Kontaktstellung in einem durch elastische Verformung hervorgerufenen vorgespannten Zustand befinden» derart, dass die zweite Dichtungsfläche 9 auf die erste Dichtungsfläche 8 auch ausser Betrieb eine Druckkraft ausübt. Die Vorspannung der Begrenzungsschalen 5 kann durch zweckmassige Wahl dea Verhältnisses der Abstände awischen den ersten und zweiten Dichtungsflächen, oder durch eine von einer Vielaahl von anderen möglichen Methoden erzielt werden.

7441827 16.09.76

137/74

In der Fig. 2 und 3 weist der mit dem Innengehäuse 2 koaxial angeordnete starre Ring 7 an seiner Innenfläche eine Ringnut 10 auf, dessen eine Seite als ebene, erste Dichtungsfläche 8 ausgebildet ist. Dieser steht die an der Begrenzungsschale 5 ausgebildete zweite Dichtungsfläche 9 gegenüber, die an der Aussenseite der in die Ringnut 10 hineinragenden flanschartigen Verdickung 11 ausgebildet ist. Die Abmessungen der Ringnut 10 sind so bemessen, dass auch die maximale Wärmedehnung der Begrenzungsschale 5 in radialer Richtung ohne Widerstand vor sich gehen kann. In der Fig. 2 ist die Begrenzungsschale 5 von geschweisster Konstruktion, wogegen sie in der Fig. 3 ein Sonderprofil variabler Dicke beispielsweise aus Stahlguss aufweist. In der Fig. 2 ist auch die Abschirmung 12 an beiden Seiten jeder Begrenzungsschale 5 und des Innengehäusemantels angedeutet. Eine solche Abschirmung 12 kann an einer oder bei den Seiten der Begrenzungsschalen 5 und/oder des Innengehäusemantels wärmebeweglich befestigt sein, um das Temperaturgefälle über die Dicke der Begrenzungsschale 5 bzw. des Innenge häuses 2 und die von diesem Temperaturgefälle hervorgerufenen Spannungen herabzusetzen.

Die Fig. 'j aeigt auch die die Kontaktstelle überbrückende ela stische dünne Dichtungsschale 13, die sowohl mit dem Ring 7 wie auch mit der Begrenzungsschale 5 gasdicht verbunden, beispielsweise geschweisst ist. Die Dichtungssohale 13 dient zur

7441827 16,09.76

137/74

zusätzlichen Sicherung einer einwandfreien Dichtung zwischen der Begrenzungsschale 5 und dem Innengehäuse 2.

In Fig. 4 und 5 weist der Ring 7 eine als erste Dichtungsfläche 8 ausgebildete konvexe konische Fläche auf, die mit der an der Begrenzungsschale 5 ausgebildeten, als zweite Dichtungsfläche 9 dienenden konkaven konischen Fläche zusammenwirkt. Dabei sind die von der Turbinenachse gemessenen Neigungswinkel der beiden konischen Flächen annähernd gleich, damit eine gute Dichtung erzielt werden kann. Der Ring 7 verläuft in beiden Figuren koaxial mit dem Innengehäuse 2, jedoch ist er in der Fig. 4 im Inneren des Innengehäuses befestigt, wogegen er in der Fig. 5 zwischen zwei Abschnitten des Innengehausemantels dazwischengeschweisst ist. Die Begrenzungsschalen 5 nach der Fig. 4 besitzen flanschartige Verdickungen 11. In der Fig. 5 sind zur Sicherung einer einwandfreien Dichtung die Dichtungsschalen 13 vorgesehen.

Von den im Innengehäuse 2 und den Begrenzungsschalen 5 zufolge des Betriebsdruckes und der Betriebstemperatur auftretenden Spannungen sind die Meridianbiegespannungen die höchsten und gefährlichsten, die zufolge der Wandtemperaburen und des 'Pumperaturgefälles über die Wanddicicen im Innengehäuse 2 und in den Begrenzungsschalen 5 hervorgerufen werden. Der Verlauf dieser_ä durch Temperatur allein hervorgerufenen Spannungen entlang des

137/7^

Innengehäuses 2 und der Begrenzungsschalen 5 ist für die bekannte, eingespannte Konstruktion durch die Kurven Ik und 16 und für die erfindungsgemässe, wärmebewegliche Konstruktion durch die Kurven 15 und 17 in der Fig. 6 dargestellt. Für beide Varianten wuraen gleiche Temperaturverhältnisse gewählt Die Kurven Ik und 15 beziehen sich auf das Innengehäuse 2, wogegen die Kurven 16 und 17 die Begrenzungsschalen ^f} betreffen. Aus den genannten Kurven geht eindeutig hervor, dass die grössten, durch Temperatur allein hervorgerufenen Meridianbiegespannungen im Innengehäuse 2 auftreten, und dass der maximale Wert dieser Spannungen bei der bekannten Konstruktion etwa doppelt so gross ist als der entsprechende maximale Wert bei der erfindungsgemässen Konstruktion. Aus diesem Grund ist es möglich., den Druck oder die Temperatur, oder den Druck und die Temperatur bei der erfindungsgemässen Konstruktion in beträchtlichem Masse zu steigern. Dies geht auch auc der Fig. 7 hervor, in welcher sich die Kurve 18 auf die bekannte Konstruktion und die Kurve 19 auf die erfindungsgemässe Konstruktion bezieht. Beide Kurven 18 und 19 stellen, wie vorerwähnt, den zulässigen Druck P im Einlaufraum als Funktion der Meridianbiegespannung dar, die zwischen der durch die Temperatur allein hervorgerufenen Meridianbiegespannung und der maximal zulässigen, gesamten Meridianbiegespannung in der Innengehäusewand für Druck noch zur Verfügung steht. Bei einer vor-bestimmten, für Druck noch zur Verfügung stehenden Meridianspannung kann bei der

- 11 - Χ37/7Ί

Konstruktion nach der Erfindung ein Druck U gewählt werden, der annähernd 2,!5 mal so gross ist, als der bei der bekannten Konstruktion wählbare Druck. Anstatt den Druck au erhöhen können natürlich Temperatur allein, oder Druck und Temperatur erhöht werden, solange die zulässige, gesamte Meridianbiegespannung nicht überschritten wird. Die Möglichkeit einer beträchtlichen Steigerung der Betriebsdrücke und/oder -temperaturen kann als durch die Konstruktion nach der Erfindung erreichter überrasctender Effekt betrachtet werden, der bei nur geringen Mehrkosten eine wesentlich bessere Ausnutzung der Turbine erlaubt.

Natürlich sind Varianten der gezeigten Ausführungsformen möglich. So könnte beispielsweise die Begrenzungsschale 5 nach den Fig. 2 und 3 an ihrem Umfang einen Ring mit einer an dessen Aussenseite vorgesehenen Ringnut, und das- Innengehäuse 2 einen nach innen gerichteten ringförmigen Vorsprung aufweisen, j der in die Ringnut des Begrenzui.gsschalenringes hineinragt. |

Auch könnten bei allen vorangehend beschriebenen Ausführungs- f formen der Erfindung Abschirmungen 12 und Dichtungsschalen 13 |

zu den erwähnten Zwecken.vorgesehen sein.

Als wesentliche Vorteile der beschriebenen Turbinenkonstruktion sind die folgenden zu nennen:

7441827 16.09.76

a) Die Wärme- und Druckdehnungen der Begren.zungssoh.alen sind durch das Innengehäuse nicht gehindert, und umgekehrt, die Wärme- und Druckdehnungen des Innengehäuses sind durch die Begrenzungsschalen nicht gehindert;

b) die Druck- und Temperaturspannungen treten im Innengehäuse und in den Begrenzungsschalen unbeeinflusst voneinander auf und nehmen daher viel niedrigere Werte an. Insbesondere nimmt die gefährliche maximale Meridianbiegespannung, die zufolge der Wandtemperaturen und des Temperaturgefälles über die Dicke der Innengehäusewand in dieser auftritt, einen wesentlich niedrigeren Wert an, als bei der bekannten Konstruktion;

c) die Betriebsgrössen wie Druck und Temperatur und dementsprechend die erzielbare Leistung können bei unverminderter Betriebssicherheit in wesentlichem Mass gesteigert werden;

d) die relativ einfache, billige und betriebssichere, ohne besondere Herstellungsschwierigkeiten behaftete "einschalige" Konstruktion ersetzt die nach dem Stand der Technik für hohe Drücke und Temperaturen verwendete komplizierte und kostspielige "mehrschalige"Konstruktion einwandfrei.

7441827 16.09.76

Claims

Q 71 Hl 827,a 137/7** Ro/Ca 1.6,1976 Schut zansprüche

1. Thermische Turbomaschine, insbesondere Dampfturbibe, mit einem Einlaufkanal (1), der durch die Innenfläche (3) eines Innengehäuses (2) und die einander gegenüberstehenden Flächen (^!) zweier Begrenzungsschalen (5) begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Innengehäuse (2) und jeder Begrenzungsschale (5) Mittel zur Gewährleistung einer im Betrieb gasdichten Abdichtung zwischen einem starren Teil (7) des Innengehäuses (2) und der Begrenzungsschale (5), und Mittel zur Ermöglichung einer annähernd unbehinderten Wärmedehnung der Begrenzungsschale (5) vorgesehen sind.

2. Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Gewährleistung der Abdichtung eine relativ zum Innengehäuse (2) fest angeordnete erste Dichtungsfläche (8) und eine dieser gegenüberstehende, und auf sie pressbare zweite Dichtungsfläche (9) aufweisen, und dass der auf die Begrenzungsschale (5) einwirkende Betriebsdruck eine Anpressung der zweiten Dichtungsfläche (9) auf die erste (8) und eine gasdichte Abdichtung ergibt.

7441827 16.09.76

3. Turbomaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Begrenzungsschale (5) in Kontaktstellung in einem durch elastische Verformung hervorgerufenen vorgespannten Zustand befindet, derart, dass die zweite Dichtungsflache (9) auf die erste Dichtungsfläche (8) auch ausser Betrieb eine Druckkraft ausübt.

l\. Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der starre Teil ein mit dem Innengehäuse (2) koaxial angeordneter Ring (7) ist, der mit dem Innengehäuse (2) starr verbunden, oder als Teil desselben ausgebildet ist,

5. Turbomaschine nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (7) an seiner Innenfläche eine Ringnut (10) aufweist, deren eine Seite als ebene, erste Dichtungsfläche (8) ausgebildet ist.

6. Turbomaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite und die Tiefe der Ringnut (10) so bemessen sind, dass auch die maximal auftretende Wärmedehnung der Begrenzungsschale (5) in radialer Richtung nahezu ohne Widerstand erfolgt.

7441827 16.09.76

- 3 - 137/74

7. Turbomaschine nach Ansprüchen 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der äussere Umfang der Begrenzungsschale (5) in die Ringnut (10) hineinragt, und dass die Begrenzungsschale (5) eine ebene Fläche aufweist, die als zweite Dichtungsfläche (9) ausgebildet ist.

8. Turbomaschine nach Ansprüchen 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (7) eine als erste Dichtungsfläche (8) dienende konvexe konische Fläche, und die Begrenzungsschale (5) eine als zweite Dichtungsfläche (9) dienende konkave konische Fläche aufweist, und dass der von der Turbinenachse gemessene Neigungswinkel der konvexen Dichtungsfläche (8) annähernd dem Neigungswinkel der konkaven Dichtungsfläche (9) entspricht.

9. Turbomaschine nach Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass am Umfang der Begrenzunhsschale (5) eine flanschartige Verdickung (11) vorgesehen ist, auf deren einer Seite die zweite Dichtungsfläche (9) ausgebildet ist.

10. Turbomaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei im Betrieb auftretenden unterschiedlichen Wärmedehnungen der Begrenzungsschale (5) und des Innengehäuses (2), die Diohtungsflächen (8, 9) bei Beibehaltung der gasdichten

7441827 16.09.76

Abdichtung relativ zueinander unbehindert verschiebbar sind.

11. Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einer Seite des Innengehäusemantels und/oder mindestens einer Seite der Begrenzungsschale (5) eine Abschirmung (12) wärmebeweglich befestigt ist.

12. Turbomaschine nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet, dass eine die Kontaktstelle überbrückende elastische dünne Dichtungsschale (13) vorgesehen ist, die sowohl mit dem Ring (7) wie auch mit der Begrenzungsschale (5) gasdicht verbunden ist.

BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.

.7441827 16,09,76