EP0088944B1 - Axial beaufschlagte Dampfturbine, insbesondere in zweiflutiger Ausführung - Google Patents

Axial beaufschlagte Dampfturbine, insbesondere in zweiflutiger Ausführung Download PDF

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EP0088944B1 EP83102038A EP83102038A EP0088944B1 EP 0088944 B1 EP0088944 B1 EP 0088944B1 EP 83102038 A EP83102038 A EP 83102038A EP 83102038 A EP83102038 A EP 83102038A EP 0088944 B1 EP0088944 B1 EP 0088944B1
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nozzles
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Herbert Keller
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Siemens AG
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Kraftwerk Union AG
Siemens AG
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01D3/00—Machines or engines with axial-thrust balancing effected by working-fluid
    • F01D3/02—Machines or engines with axial-thrust balancing effected by working-fluid characterised by having one fluid flow in one axial direction and another fluid flow in the opposite direction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/08—Heating, heat-insulating or cooling means

Definitions

  • the invention relates to an axially loaded steam turbine according to the preamble of claim 1.
  • Such a steam turbine is known from FR-A-851 531.
  • a shaft shield is arranged in the region of the steam inflow taking place in the axial center, which shaft shield is attached to the radially inner ends of the guide vanes of the first guide vane rings of both flows.
  • the shaft shield enclosing the shaft at a distance is formed on the outer circumference in such a way that the steam flowing in in the radial direction is divided equally between the two floods and deflected in the axial direction. The shaft shielding thus prevents an immediate flow against the shaft surface by the steam flowing in in the radial direction.
  • the invention is based on the object, in an axially loaded steam turbine of the type mentioned, to further reduce the thermal stresses of the shaft in the region of the steam inflow, likewise without the use of cooling steam generated externally to the turbine, but in this case the shaft shielding ring itself as a device for pressure and Take advantage of lowering the temperature of the live steam.
  • a small partial flow of the total inflowing steam is fed through tangentially arranged nozzles to the shaft area under the shaft shield.
  • the speed at which this partial flow enters the annular channel formed between the shaft and the shaft shield corresponds to the gradient processed in the first guide vane ring.
  • the nozzles introduced into the shaft shielding are aligned with respect to the direction of rotation of the shaft in such a way that the swirl flow which forms in the ring channel leads the shaft circumferential speed.
  • the boundary layer temperature on the shaft corresponds to the static temperature of the steam which is reduced by the increase in the kinetic energy, increased by the proportion of the damming temperature of the comparatively low relative speed between the swirl flow and the shaft circumferential speed. Effective cooling of the shaft in the area of the steam inflow and in the area of the blade attachment of the first blade ring can thus be achieved by the nozzles introduced tangentially into the shaft shield.
  • incoming partial flow is then divided equally into two swirl flows, which each flow in the axial direction along the shaft up to the first rotor blade ring.
  • a further improvement in the cooling effect can be achieved in that the first stage is designed as a weak reaction stage or, in the case of a double-flow version, that the first stage is designed as a weak reaction stage in both floods. This is intended to process as large a gradient as possible in the first guide vane ring, so that the static temperature of the partial flow introduced into the ring channel is reduced as much as possible by the corresponding increase in the kinetic energy.
  • the cross section of the nozzles is dimensioned such that the steam mass flow entering the annular duct is approximately 3% of the total steam mass flow supplied in the region of the steam inflow.
  • the nozzles 8 are designed such that, seen in the direction of rotation of the shaft indicated by the arrow 9, they open tangentially into the annular channel 4 formed between the shaft 5 and the shaft shield 6. Since the partial flow diverted from the inflowing steam enters tangentially into the ring channel 4 through the nozzles 8, a swirl flow indicated by the arrow 10 forms there, which leads the wave circumferential speed.
  • the swirl flow 10 is then divided into two swirl flows starting from the axial center M, which are indicated in FIG. 1 by the arrows 11 and 11 'and along the shaft 5 as far as the rotor blades 12 and 12' of the respective first rotor blade ring of the two floods.
  • the speed at which the partial flow diverted from the incoming steam enters the nozzles 8 thus corresponds to the gradient processed in the first guide vane ring of the two floods, and this speed of entry can be increased by eliminating the respective first stage as a weak reaction stage.
  • the shaft shield 6 prevents a direct flow against the surface of the shaft 5 by the hot steam flowing radially in the direction of the arrow 1.
  • the boundary layer temperature of the swirl flows 10 or 11 and 11 'in the ring channel 4 corresponds to the static temperature of the steam reduced by the increase in the kinetic energy, increased by the accumulation temperature portion of the relative speed between the swirl flow 10 or 11 and 11' and the shaft circumferential speed.
  • the congestion temperature proportion is low, since the relative speed mentioned is also comparatively low due to the selected orientation of the nozzles 8.
  • the steam mass flow entering the annular duct 4 through the nozzles 8 is approximately 3% of the total steam mass flow supplied through the inflow duct 2.
  • the temperature drop in the area of the shaft 5 below the shaft shield 6 is 20 ° K at the beginning of the swirl field in the axial center M and at 10 to 15 ° K at the respective end of the swirl field compared to the temperature of the incoming steam.
  • the increase in consumption required for this cooling of the shaft is approximately 0.06% and thus corresponds to the values which can be achieved with external cooling by cooling steam introduced from the outside.
  • the slight reduction in the cooling effect at the respective end of the swirl field can possibly be avoided by an additional row of blades arranged on the shaft 5. This row of moving blades arranged in the axial center M and in the annular channel 4 could expediently be designed as a free jet turbine.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine axial beaufschlagte Dampfturbine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Eine derartige Dampfturbine ist aus der FR-A-851 531 bekannt. Bei einer dort dargestellten zweiflutigen Dampfturbine ist im Bereich der in der axialen Mitte erfolgenden Dampfeinströmung eine Wellenabschirmung angeordnet, welche an den radial inneren Enden der Leitschaufeln der ersten Leitschaufelkränze beider Fluten befestigt ist. Die die Welle mit Abstand umschließende Wellenabschirmung ist dabei am Außenumfang so ausgebildet, daß der in radialer Richtung einströmende Dampf auf beide Fluten gleichmäßig aufgeteilt und in die axiale Richtung umgelenkt wird. Die Wellenabschirmung verhindert somit ein unmittelbares Anströmen der Wellenoberfläche durch den in radialer Richtung einströmenden Dampf.
  • Aus W. Traupel « Thermische Turbomaschinen •, Band 2, 2. Auflage, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1968, Seite 341, ist es auch bekannt, bei einer axial beaufschlagten einflutigen Dampfturbine im Bereich der Dampfeinströmung ein Abschirmblech anzuordnen und in den zwischen Welle und Abschirmblech gebildeten Ringkanal von außen her Kühldampf einzuführen. Der Kühldampf strömt dann in dem Ringkanal bis vor den ersten Laufschaufelkranz. Auf diese Weise können die zusätzlich zu den hohen Fliehkraftbeanspruchungen der Welle im Bereich der Dampfeinströmung und im Bereich der Laufschaufelbefestigung des ersten Laufschaufelkranzes auftretenden thermischen Beanspruchungen reduziert werden. Hierzu ist jedoch die mit einigem Aufwand verbundene Bereitstellung von Kühldampf erforderlich. Außerdem ist eine derartige von außen her erfolgende Einleitung von Kühldampf in den zwischen Welle-. nabschirmung und Welle gebildeten Ringkanal bei zweiflutigen Dampfturbinen nur möglich, wenn die Leitung für die Zufuhr des Kühldampfes im Bereich der Dampfeinströmung verlegt wird. Eine derartige Ausführung ist aus der Zeitschrift « BBC-Nachrichten », 1980, Heft 10, Seite 378, und durch die DE-A-21 40490 bekannt. Durch die Verlegung der Leitung für die Zufuhr des Kühldampfes in den Bereich der Dampfeinströmung entstehen jedoch zusätzliche Strömungsverluste. Die Kühlung der Welle im Bereich der Dampfeinströmung durch Kühldampf ist auch thermodynamisch ungünstig, weil der kalte Kühldampf die mittlere Arbeitsmitteltemperatur in der Dampfturbine absenkt. Durch die Zufuhr von Kühldampf können aber auch regeltechnische Probleme im Falle einer Lastabschaltung entstehen, da der Kühldampf die Dampfturbine bzw. den Turbosatz auf Überdrehzahl bringen könnte, sofern die Kühldampfzufuhr nicht durch separate Sicherheitsventile abgeschaltet wird.
  • Es ist durch die US-A-3 817 654 bekannt, den Wellenkühldampf durch Teilentspannung des Frischdampfes im Düsenkranz einer ersten Aktions-Schaufelstufe bei einer doppelflutigen Dampfturbine derart zu erzeugen, daß dieser teilentspannte Dampf einen etwas höheren Druck als der im Düsenkranz der anderen ersten Schaufelstufe teilentspannte Dampf aufweist. Als Wellenkühldampf wird dann eine Teildampfmenge abgezweigt, welche aufgrund des Druckgefälles in einer gegenläufigen Schleife unter dem Wellenabschirmring und über die Wellenoberfläche zur gegenüberliegenden ersten Stufe der doppelflutigen Beschaufelung geführt wird. Bei der Erfindung wird zwar gleichfalls turbinenintern erzeugter Wellenkühldampf verwendet, es ist jedoch eine unterschiedliche Auslegung von Beschaufelungsstufen und eine 180°-Umlenkung von Dampfteilströmen nicht erforderlich.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer axial beaufschlagten Dampfturbine der eingangs genannten Art die thermischen Beanspruchungen der Welle im Bereich der Dampfeinströmung ebenfalls ohne die Verwendung von turbinen-extern erzeugtem Kühldampf weiter zu reduzieren, dabei jedoch den Wellenabschirmring selbst als Einrichtung zur Druck- und Temperaturabsenkung des Frischdampfes auszunutzen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
  • Bei der erfindungsgemäßen Dampfturbine wird also unter Umgehung des ersten Leitschaufelkranzes ein geringer Teilstrom des insgesamt einströmenden Dampfes durch tangential angeordnete Düsen dem unter der Wellenabschirmung liegenden Wellenbereich zugeführt. Die Geschwindigkeit, mit welcher dieser Teilstrom in den zwischen Welle und Wellenabschirmung gebildeten Ringskanal eintritt, entspricht dem im ersten Leitschaufelkranz verarbeiteten Gefälle. Die in die Wellenabschirmung eingebrachten Düsen sind dabei in bezug auf die Drehrichtung der Welle so ausgerichtet, daß die sich im Ringkanal ausbildende Drallströmung der Wellenumfangsgeschwindigkeit vorauseilt. Die Grenzschichttemperatur an der Welle entspricht dann der durch die Erhöhung der kinetischen Energie abgesenkten statischen Temperatur des Dampfes, vermehrt um den Stautemperaturanteil der vergleichsweise geringen Relativgeschwindigkeit zwischen der Drallströmung und der Wellenumfangsgeschwindigkeit. Durch die in die Wellenabschirmung tangential eingebrachten Düsen kann somit eine wirksame Kühlung der Welle im Bereich der Dampfeinströmung und im Bereich der Laufschaufelbefestigung des ersten Laufschaufelkranzes erzielt werden.
  • Bei einer axial beaufschlagten Dampfturbine in zweiflutiger Ausführung, bei welcher die Wellenabschirmung an den radial inneren "Enden der Leitschaufeln der ersten Leitschaufelkränze beider Fluten befestigt ist, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß die Düsen in der axialen Mitte in den Ringkanal einmünden. Der durch die mittigen Düsen in den Ringkanal
  • eintretende Teilstrom wird dann gleichmäßig in zwei Drallströmungen aufgeteilt, welche in axialer Richtung entlang der Welle jeweils bis zum ersten Laufschaufelkranz strömen.
  • Eine weitere Verbesserung der Kühlwirkung kann dadurch erzielt werden, daß die erste Stufe als Schwachreaktions-Stufe ausgebildet ist bzw. daß bei einer zweiflutigen Ausführung bei beiden Fluten jeweils die erste Stufe als Schwachreaktions-Stufe ausgebildet ist. Hierdurch soll ein möglichst großes Gefälle im ersten Leitschaufelkranz verarbeitet werden, so daß durch die entsprechende Erhöhung der kinetischen Energie die statische Temperatur des in den Ringkanal eingeleiteten Teilstromes möglichst weit abgesenkt wird.
  • Weiterhin hat es sich aus fertigungstechnischen Gründen als zweckmäßig erwiesen, wenn insgesamt vier über den Umfang der Wellenabschirmung gleichmäßig verteilt angeordnete Düsen vorgesehen sind.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Dampfturbine ist der Querschnitt der Düsen derart bemessen, daß der in den Ringkanal gelangende Dampfmassenstrom etwa 3 % des insgesamt im Bereich der Dampfeinströmung zugeführten Dampfmassenstromes beträgt. Hierdurch kann bei einer wirksamen Kühlung der Welle die durch die teilweise Umgehung des ersten Leitschaufelkranzes bedingte Verbrauchserhöhung auf äußerst niedrige Werte begrenzt werden.
  • Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstellung
    • Figur 1 den Einströmbereich einer zweiflutigen Dampfturbine im Längsschnitt und
    • Figur 2 einen Querschnitt gemäß der Linie 11-11 der Fig. 1.
    Gemäß Fig. 1 strömt der Dampf in Richtung des Pfeiles 1 radial nach innen durch einen ringförmigen Einströmkanal 2, welcher durch die Leitschaufelträger 3 bzw. 3' der beiden spiegelbildlich zur axialen Mitte M angeordneten Fluten gebildet ist. Der in radialer Richtung einströmende Dampf wird dann unter Umlenkung in die axiale Richtung auf beide Fluten gleichmäßig aufgeteilt, wobei jedoch ein geringer Teilstrom in einen Ringkanal 4 eingeleitet wird, welcher zwischen der Welle 5 und einer dazu konzentrischen Wellenabschirmung 6 gebildet ist und durch eine entsprechende Formgebung von Welle 5 und Wellenabschirmung 6 von der axialen Mitte M ausgehend nach beiden Seiten hin etwas ansteigt. Die Wellenabschirmung 6 ist an den radial inneren Enden der Leitschaufeln 7 bzw. 7' des jeweils ersten Leitschaufelkranzes beider Fluten befestigt. Die Leitschaufeln 7 und 7' sind ihrerseits in die Leitschaufelträger 3 bzw. 3' eingesetzt.
  • In die Wellenabschirmung 6 sind nun insgesamt vier über den Umfang gleichmäßig verteilt angeordnete Düsen 8 als Bohrungen eingebracht. Wie es insbesondere aus dem Querschnitt der Fig. 2 ersichtlich ist, sind die Düsen 8 so ausgebildet, daß sie in der durch den Pfeil 9 angedeuteten Drehrichtung der Welle gesehen tangential in den zwischen Welle 5 und Wellenabschirmung 6 gebildeten Ringkanal 4 einmünden. Da der von dem einströmenden Dampf abgezweigte Teilstrom durch die Düsen 8 tangential in den Ringkanal 4 eintritt, bildet sich dort eine durch den Pfeil 10 angedeutete Drallströmung aus, welche der Wellenumfangsgeschwindigkeit vorauseilt.
  • Die Drallströmung 10 teilt sich dann in zwei von der axialen Mitte M ausgehende Drallströmungen auf, welche in der Fig. 1 durch die Pfeile 11 und 11' angedeutet sind und die Welle 5 entlang bis zu den Laufschaufeln 12 bzw. 12' des jeweils ersten Laufschaufelkranzes der beiden Fluten strömen. Dabei umgehen die beiden Drallströmungen 11 und 11' die Leitschaufeln 7 bzw. 7' des jeweils ersten Leitschaufelkranzes beider Fluten. Die Geschwindigkeit mit welcher der von dem einströmenden Dampf abgezweigte Teilstrom in die Düsen 8 eintritt entspricht damit dem jeweils im ersten Leitschaufelkranz der beiden Fluten verarbeiteten Gefälle, wobei diese Eintrittsgeschwindigkeit durch eine Ausbindung der jeweils ersten Stufe als Schwachreaktions-Stufe gesteigert werden kann.
  • Die Wellenabschirmung 6 verhindert einerseits ein unmittelbares Anströmen der Oberfläche der Welle 5 durch den in Richtung des Pfeiles 1 radial einströmenden heißen Dampf. Andererseits entspricht die Grenzschichttemperatur der Drallströmungen 10 bzw. 11 und 11' in dem Ringkanal 4 der durch die Erhöhung der kinetischen Energie abgesenkten statischen Temperatur des Dampfes, vermehrt um den Stautemperaturanteil der Relativgeschwindigkeit zwischen Drallströmung 10 bzw. 11 und 11' und Wellenumfangsgeschwindigkeit. Der Stautemperaturanteil ist dabei gering, da die genannte Relativgeschwindigkeit durch die gewählte Ausrichtung der Düsen 8 ebenfalls vergleichsweise gering ist.
  • Der in den Ringkanal 4 durch die Düsen 8 eintretende Dampfmassenstrom beträgt etwa 3 % des insgesamt durch den Einströmkanal 2 zugeführten Dampfmassenstromes. Die Temperaturabsenkung in dem unterhalb der Wellenabschirmung 6 liegenden Bereich der Welle 5 liegt gegenüber der Temperatur des einströmenden Dampfes bei 20 °K am Anfang des Drallfeldes in der axialen Mitte M und bei 10 bis 15 °K am jeweiligen Ende des Drallfeldes. Die für diese Kühlung der Welle erforderliche Verbrauchserhöhung liegt bei ungefähr 0,06 % und entspricht damit den bei Fremdkühlung durch von außen her eingeleiteten Kühldampf erreichbaren Werten. Die geringfügige Verringerung der Kühlwirkung am jeweiligen Ende des Drallfeldes kann ggf. durch eine auf der Welle 5 zusätzlich angeordnete Laufschaufelreihe vermieden werden. Diese in der axialen Mitte M und im Ringkanal 4 angeordnete Laufschaufelreihe könnte zweckmäßigerweise als Freistrahlturbine ausgebildet werden.

Claims (6)

1. Axial beaufschlagte Dampfturbine, insbesondere in zweiflutiger Ausführung, mit einer im Bereich der Dampfeinströmung (1, 2) angeordneten ringförmigen Wellenabschirmung (6), welche die Welle (5) mit Abstand umschließt, und mit den radial inneren Enden der Leitschaufeln (7, 7') des ersten Leitschaufelkranzes verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß in die Wellenabschirmung (6) Düsen (8) eingebracht sind, welche in Drehrichtung (9) der Welle (5) gesehen tangential in den zwischen Welle (5) und Wellenabschirmung (6) gebildeten Ringkanal (4) einmünden.
2. Axial beaufschlagte Dampfturbine in zweiflutiger Ausführung nach Anspruch 1, bei welcher die Wellenabschirmung (6) an den radial inneren Enden der Leitschaufeln (7, 7') der ersten Leitschaufelkränze beider Fluten befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (8) in der axialen Mitte (M) in den Ringkanal (4) einmünden.
3. Axial beaufschlagte Dampfturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stufe als Schwachreaktions-Stufe ausgebildet ist.
4. Axial beaufschlagte Dampfturbine in zweiflutiger Ausführung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei beiden Fluten jeweils die erste Stufe als Schwachreaktions-Stufe ausgebildet ist.
5. Axial beaufschlagte Dampfturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß insgesamt vier über den Umfang der Wellenabschirmung (6) gleichmäßig verteilt angeordnete Düsen (8) vorgesehen sind.
6. Axial beaufschlagte Dampfturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Düsen (8) derart bemessen ist, daß der in den Ringkanal (4) gelangende Dampfmassenstrom etwa 3 % des insgesamt im Bereich der Dampfeinströmung zugeführten Dampfmassenstromes beträgt.
EP83102038A 1982-03-16 1983-03-02 Axial beaufschlagte Dampfturbine, insbesondere in zweiflutiger Ausführung Expired EP0088944B1 (de)

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