EP0906493A1

EP0906493A1 - Turbomaschine sowie verfahren zur kühlung einer turbomaschine

Info

Publication number: EP0906493A1
Application number: EP97928113A
Authority: EP
Inventors: Heinrich Oeynhausen; Edwin Gobrecht; Helmut Pollak; Andreas FELDMÜLLER
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-06-21
Filing date: 1997-06-09
Publication date: 1999-04-07
Anticipated expiration: 2017-06-09
Also published as: WO1997049900A1; US6102654A; EP0906494A1; JP3939762B2; CZ422798A3; JP2000512706A; JP2000512708A; CN1106496C; ATE247766T1; JP3943136B2; CN1227619A; KR20000022066A; CN1100193C; PL330755A1; US6048169A; DE59710625D1; CN1228134A; KR20000022065A; EP0906494B1; RU2182976C2

Description

Beschreibung

Turbomaschine sowie Verfahren zur Kühlung einer Turbomaschine

Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine, insbesondere eine Dampfturbine, mit einem Gehäuse und einem zumindest teilweise durch das Gehäuse gebildeten Einströmbereich für Aktionsfluid sowie ein Verfahren zur Kühlung,von zumindest einer einem Einströmbereich einer Turbomaschine zugeordneten Komponente.

Zur Steigerung des Wirkungsgrades einer Dampfturbine trägt die Verwendung von Dampf mit höheren Drücken und Temperaturen bei, insbesondere sogenannte überkritische Dampfzustände, mit einer Temperatur von beispielsweise über 550 °C. Die Verwen- düng von Dampf mit einem solchen Dampfzustand stellt erhöhte Anforderungen an eine entsprechend beaufschlagte Dampftur¬ bine, insbesondere an die an den Einströmbereich des Aktions- fluides grenzenden Komponenten der Dampfturbine, wie Gehäuse¬ wandung und Turbinenwelle.

In dem Artikel "Dampfturbinen für fortgeschrittene Kraft- werkskonzepte mit hohen Dampfzuständen von D. Bergmann, A. Drosdziok und H. Oeynhausen, Siemens Power Journal 1/93, S. 5-10 ist eine Läuferabschirmung mit Drallkühlung beschrieben. Bei der Drallkühlung strömt Dampf durch vier tangentiale Boh¬ rungen in der Läuferabschirmung in Drehrichtung der Turbinen¬ welle in den Bereich zwischen der Läuferabschirmung und em Läufer, ein. Dabei expandiert der Dampf, die Temperatur sinkt und kühlt dadurch den Läufer. Die Läuferabschirmung ist dampfdicht mit einer Leitschaufelreihe verbunden. Durch die Drallkühlung läßt sich eine Temperaturabsenkung des Läu¬ fers in der Umgebung der Läuferabschirmung von etwa 15 K er¬ reichen. Eine nähere Erläuterung dieser Läuferabschirmung, welche die Turbinenwelle mit Abstand umschließt und mit den radial inneren Enden der Leitschaufeln des ersten Leitschau¬ felkranzes verbunden ist, ist in der EP 0 088 944 Bl be¬ schrieben. In der Lauferabschirmung sind Düsen eingebracht, welche in Drehrichtung der Welle gesehen tangential in den zwischen Welle und Wellenabschirmung gebildeten Ringkanal einmünden. Ein weiteres Beispiel für eine Läuferabschirmung ist der DE 32 09 506 AI entnehmbar.

Aufgabe der Erfindung ist,es, eine Turbomaschine anzugeben, welche in einem thermisch hochbelasteten Bereich, insbeson¬ dere einem Einströmbereich für Aktionsfluid, kühlbar ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren zur Kühlung zumindest einer an den Einströmbereich angrenzen¬ den Komponente der Turbomaschine anzugeben.

Erfindungsgemäß wird die auf eine Turbomaschine, insbesondere eine Dampfturbine, gerichtete Aufgabe durch eine solche ge- löst, welche ein Gehäuse mit einem zumindest teilweise durch das Gehäuse gebildeten Einströmbereich für Aktionsfluid auf¬ weist, wobei eine Zuführung für ein Kühlfluid in dem Gehäuse vorgesehen ist, durch die eine Kühlung des Gehäuses, insbe¬ sondere der an den Einströmbereich angrenzenden Gehäusewan- düngen, durchführbar ist. Durch Ausführung eines Gehäuses mit einer solchen Zuführung für Kühlfluid kann auch bei Ein¬ strömung von Aktionsfluid in den Einströmbereich mit Tempera¬ turen von oberhalb 550 °C die Temperatur des Gehäuses deut¬ lich erniedrigt werden, wodurch die Verwendung bekannter Werkstoffe, insbesondere martensitischer Chromstähle, möglich ist oder der Einsatz neuer Werkstoffe auf reduziertem Tempe¬ raturniveau ermöglicht wird. Bei dem Kühlfluid kann es sich um Prozeßdampf einer Dampfturbinenanlage mit mehreren Teil- turbinen, gesondertem Kühldampf oder Kühlluft handeln.

Alternativ oder zusätzlich weist die Turbomaschine vorzugs¬ weise ein an den Einströmbereich angrenzendes Abschirmelement auf, welches einen sich entlang einer Hauptachse in dem Ge¬ häuse erstreckenden Laufschaufelträger gegenüber dem Aktions- fluid abschirmt und durch eine Halterung an dem Gehäuse befe¬ stigt ist, wobei die Zuführung durch die Halterung in das Ab¬ schirmelement hineingeführt ist. Das Abschirmelement kann an mehreren Stellen über jeweils eine Halterung oder mehrere Halterungen mit dem Gehäuse verbunden sein. Es werden gleichzeitig mehrere Kühlungseffekte erzielt, nämlich eine Kühlung des Gehäuses an den dem Einströmungsbereich angren- zenden Wänden, eine Kühlung der Halterung, eine Kühlung des Abschirmelementes und damit auch eine Kühlung des Laufschau- felträgers. Durch eine sich aus mehreren Teilstrecken zusam¬ mensetzende, durch den Strömungsweg des Aktionsfluides hin¬ durchgeführte Zuführung wird mit einer einzigen Kühl- fluidströmung eine effektive Kühlung einer Mehrzahl von Kom¬ ponenten der Turbomaschine erreicht.

Vorzugsweise ist die Halterung in zumindest eine in Richtung des Aktionsfluides gesehen erste Leitschaufelreihe inte- griert. Zur Erhöhung der Kühlung dieser ersten Leitschaufel¬ reihe, d. h. der Halterung, ist eine Abzweigleitung, vorzugs¬ weise eine Mehrzahl von Abzweigleitungen vorgesehen, welche mit der Zuführung verbunden ist (bzw. sind) und in den Ein¬ strömbereich und/oder einer dem Einströmbereich abgewandten Seite münden. Hierdurch wird eine zusätzliche Filmkühlung der ersten Leitschaufelreihe erreicht.

Das Abschirmelement weist vorzugsweise ebenfalls zumindest eine Abzweigleitung auf, die mit der Zuführung verbunden ist und in den Einströmbereich mündet. Dies führt zu einer Film¬ kühlung des Abschirmelementes und damit mittelbar zu einer weiteren Reduktion der Temperaturbelastung des Laufschaufei- trägers. Das Abschirmelement kann zusätzlich einen mit der Zuführung verbundenen Hohlraum aufweisen, wodurch ein erhöh- ter Wärmeübertrag in dem Abschirmelement in Richtung zu dem

Laufschaufelträger hin vermieden wird.

Durch das Abschirmelement, welches insbesondere ringförmig ausgeführt ist, wird hin zu dem Laufschaufelträger ein Zwi- schenraum gebildet, in den die Zuführung mündet. Der Zwi¬ schenraum ist somit mit Kühlfluid füllbar, so daß ein Wärme¬ übertrag von dem durch das Aktionsfluid aufgeheizten Abschirmelement in den Laufschaufelträger vermindert wird. Da das Abschirmelement über die Halterung mit dem Gehäuse verbunden ist, ist es von dem Laufschaufelträger beabstandet, so daß eine Abströmung des Kühlfluides mit dem zwischen Ge- häuse und Laufschaufelträger strömenden Aktionsfluides ge¬ währleistet ist. Von dem Zwischenraum führt vorzugsweise eine Kühlfluidleitung, insbesondere als radiale Bohrung aus¬ gebildet, in den Laufschaufelträger hinein. Dies führt vorallem bei einem Laufschaufelträger, gebildet aus zwei oder mehreren zentrisch zueinander angeordneten Läuferscheiben, die mittels eines durch entsprechende Öffnungen geführten Zu¬ gankers verbunden sind, zu einer weiteren Kühlung. Hierbei erfolgt eine Einführung von Kühlfluid in einen zwischen dem Zuganker und der Läuferscheibe gebildeten Ringraum. Selbst- verständlich ist auch eine Kühlung einer im wesentlichen ein¬ stöckigen Turbinenwelle möglich, insbesondere dadurch, daß zumindest eine parallel zur Hauptachse verlaufende axiale Bohrung vorgesehen ist, in die die Kühlfluidleitung mündet.

Zusätzlich tu einer Kühlung der hochtemperaturbelasteten Kom¬ ponenten der Turbomaschine ermöglicht eine Zuführung von Kühlfluid durch das Gehäuse hindurch auch eine Verminderung einer Leckströmung von Aktionsfluid zwischen einem Spalt ei¬ ner rotierenden Komponente (Laufschaufei, Laufschaufelträger) und einer feststehenden Komponente (Leitschaufel, Gehäuse) der Dampfturbine. Diese sogenannten Spaltverluste können da¬ durch reduziert werden, daß durch entsprechende Abzweiglei¬ tungen in dem Gehäuse bzw. dem Laufschaufelträger Kühlfluid aus der Zuführung, dem Zwischenraum oder der Kühlfluidleitung abzweigbar und in diesen Spalt führbar ist. Eine solche Ab¬ zweigleitung ist somit vorzugsweise von der Zuführung für Kühlfluid so geführt, daß sie in einem Spalt zwischen Gehäuse und Laufschaufel oder Leitschaufel und Laufschaufelträger mündet. Die Dichtfähigkeit einer berührungslosen Dichtung zwischen einer rotierenden und einer feststehenden Komponente der Turbomaschine wird somit deutlich erhöht. Vorzugsweise eignet sich eine Führung von Kühlfluid besonders für eine Turbomaschine bei der das Abschirmelement zur Strom¬ teilung und/oder zur Umlenkung des Aktionsfluides in Richtung der Hauptachse ausgebildet ist. Der Einströmbereich ist vor- zugsweise für eine Führung des Aktionsfluides in einer Rich¬ tung im wesentlichen senkrecht zur Hauptachse des Laufschau- felträgers ausgebildet. Die Turbomaschine ist vorzugsweise eine zweiflutige Dampfturbine, insbesondere eine Mitteldruck- Dampfturbine, in der sowohl eine Stromteilung als auch eine Umlenkung des Aktionsfluides stattfindet. Selbstverständlich ist eine solche Kühlung auch bei einer einflutigen Dampftur¬ bine in deren Einströmbereich möglich.

Wird als Kühlfluid Prozeßdampf aus einer Dampfturbinenanlage verwendet, so wird dieser über die verschiedenen Abzweigungen dem gesamten Dampfprozeß wieder zugeführt, wobei der als Kühlfluid verwendete Dampf bei Durchströmen der Zuführung aufgeheizt wird. Gegenüber einer Kühlung, bei der der Prozeß¬ dampf verlorengeht, kann hiermit gegebenenfalls auch eine Wirkungsgraderhöhung der Dampfturbine erreicht werden.

Die auf ein Verfahren zur Kühlung einer an den Einströmbe¬ reich einer Turbomaschine, insbesondere einer Dampfturbine, angrenzenden Komponente gerichtete Aufgabe, wird dadurch ge- löst, daß Kühlfluid durch ein zumindest teilweise den Ein¬ strömbereich bildendes Gehäuse, insbesondere in der Umgebung des Einströmbereiches geleitet und von dort einem Abschirm¬ element zur Reduktion der Temperaturbelastung eines in dem Gehäuse angeordneten Laufschaufelträgers zugeführt wird.

Anhand des in der Zeichnung dargestellten AusführungsbeiSpie¬ les werden die Turbomaschine sowie das Verfahren zur Kühlung näher erläutert. Es zeigt schematisch und nicht maßstäblich die einzige Figur einen Ausschnitt eines Längsschnittes durch eine zweiflutige Mitteldruck-Dampfturbine. Der in der Figur dargestellte Ausschnitt einer Turbomaschine 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine zweiflutige Mittel¬ druck-Dampfturbine einer Dampfturbinenanlage. In einem Ge¬ häuse 15 der Turbomaschine ist ein sich entlang einer Hauptachse 2 erstreckender Laufschaufelträger 11 dargestellt. Dieser ist aus einer Mehrzahl von Läuferscheiben 29 herge¬ stellt, von denen der Übersichtlichkeit halber nur eine dar¬ gestellt ist. Durch die Läuferscheibe 29 ist zentral entlang der Hauptachse 2 ein Zuganker 28 geführt, der die Läufer- Scheiben zu dem Laufschaufelträger 11 zusammenfügt. Selbst¬ verständlich kann der Laufschaufelträger 11 auch als eine aus einem Stück bestehende Turbinenwelle hergestellt sein. Durch das Gehäuse 15 ist ein Einströmbereich 3 für Aktionsfluid 4 gebildet, welcher sich im wesentlichen entlang einer Ein- strömachse 17 senkrecht zur Hauptachse 2 erstreckt. Durch das Gehäuse 15 ist in der Nähe des Einströmbereiches 3 im we¬ sentlichen ebenfalls parallel zur Einströmachse 17 eine Kühl- fluidzuführung 8 vorgesehen. Diese Zuführung 8 geht in eine jeweilige Leitschaufel 6 der ersten Leitschaufelreihe 16 über. In der Leitschaufel 6 oder in mehreren Leitschaufeln zweigen Abzweigleitungen 23 ab, die in den Einströmbereich 3 münden. Die erste Leitschaufelreihe 16 dient zudem als Hal¬ terung 22 für ein ringförmiges Abschirmelement 19. Dieses Abschirmelement 19 ist in den Einströmbereich 3 hineingewölbt und bewirkt somit sowohl eine Umlenkung des Aktionsfluides 4 als auch eine Abschirmung des Laufschaufelträgers 11 (Turbinenläufer) gegenüber diesem Aktionsfluid 4. Von der Leitschaufel 6 führt die Zuführung 8 in das Abschirmelement 19 hinein. Dieses weist einen mit der Zuführung 8 verbünde- nen Hohlraum 18 auf, der sich im wesentlichen parallel zur Hauptachse 2 erstreckt und teilweise in Richtung des Ein¬ strömbereiches 3 verbreitert ist. Von dem Hohlraum 18 zwei¬ gen Abzweigleitungen 24 ab, die in den Einströmbereich 3 mün¬ den. Hierdurch wird, wie durch die Abzweigleitungen 23 der Leitschaufeln 6, eine entsprechende Filmkühlung des Abschirm¬ elementes 19 erreicht. Von dem Abschirmelement 19 mündet die Zuführung 8 in einen zwischen dem Abschirmelement 19 und dem Laufschaufelträger 11 gebildeten Zwischenraum 9. Das darin eintretende Kühlfluid 5 strömt zumindest teilweise in axialer Richtung aus dem Zwischenraum 9 in die Strömung des Aktions¬ fluides 4 hinein und durchläuft somit die aus den Laufschau¬ feln 7 und den nachgeordneten Leitschaufeln 6a gebildeten Turbinenstufen. Von dem Zwischenraum 9 führt eine als axiale Bohrung ausgebildete Kühlfluidleitung 13 in den Laufschaufel¬ träger 11 hinein und mündet dort in einen zwischen dem Zugan¬ ker 28 und der Läuferscheibe 29 gebildeten Ringspalt 27.

Durch das darin einströmende Kühlfluid 5 wird wärme aus dem Laufschaufelträger 11 abgeführt. Zusätzlich ist in der Läu¬ ferscheibe 29 bzw. einer oder mehrerer nachgeordneter Läufer- Scheiben, eine Sperrfluidleitung 14 vorgesehen, die von dem Ringspalt 27 in einen Laufschaufelträgerbereich 26 münden, der unmittelbar einer Laufschaufel 6a gegenüberliegt. Hier¬ durch erfolgt eine Strömung des Kühlfluides 5 in den zwischen dem Laufschaufelträgerbereich 26 und der Leitschaufel 6a ge¬ bildeten Spalt hinein. Das Kühlfluid 5 hat dort zusätzlich die Wirkung eines Sperrfluides durch welches eine Strömung des Aktionsfluides 4 durch diesen Spalt hindurch verhindert, zumindest aber deutlich verringert wird. Hierdurch lassen sich zusätzlich die Spaltverluste bei einer berührungsfreien Dichtung und somit auch der Wirkungsgrad der Dampfturbine er- höhen. Weitere von Kühlfluid 5 durchströmbare Sperrfluidlei- tungen 14 sind in dem Gehäuse 15 vorgesehen und verbinden die Zuführung 8 im Bereich der ersten Leitschaufelreihe 16 mit einem Gehäusebereich 25, welcher unmittelbar einer Laufschau¬ fei 7 gegenüberliegt. Hierdurch ist neben einer Kühlung ebenfalls eine Abdichtung dieses Spaltes durch das nunmehr zusätzlich als Sperrfluid wirkende Kühlfluid 5 gegeben.

Die Erfindung zeichnet sich durch eine Kühlung von vorzugs¬ weise mehreren Komponenten einer Turbomaschine aus, die an einen Einströmbereich für ein heißes Aktionsfluid, insbeson¬ dere Dampf von über 550 °C, angrenzen. Die Kühlung erfolgt durch Einleitung eines Kühlfluides, insbesondere Prozeßdampf einer Dampfturbinenanlage oder Kühlluft, durch eine Zufüh¬ rung, welche in einem oberflächennahen, dem Einströmbereich zugewandten Teil des Gehäuses angeordnet ist. Von dort wird die Kühlluft durch die erste Leitschaufelreihe in ein Ab- schirmelement geführt, welches an der Leitschaufelreihe befe¬ stigt ist. Sowohl in dem Gehäuse, der Leitschaufel, und dem Abschirmelement können Abzweigleitungen vorgesehen sein, die in den Einströmbereich münden und somit eine Filmkühlung der jeweiligen Komponente ermöglichen. Darüber hinaus kann durch von der Zuführung abzweigende Sperrfluidleitungen Kühlfluid zusätzlich als Sperrfluid in einen Spalt zwischen eine rotie¬ rende Komponente (Laufschaufei, Laufschaufelträger) und eine feststehende Komponente (Leitschaufel, Gehäuse) geführt wer¬ den, wodurch die Abdichtung einer berührungsfreien Dichtung deutlich verbessert wird.

Claims

Patentansprüche

1. Turbomaschine (1), insbesondere Dampfturbine, mit einem Gehäuse (15) und einem zumindest teilweise durch das Gehäuse (15) gebildeten Einströmbereich (3) für Aktionsfluid (4) , mit einer Zuführung (8) für ein Kühlfluid (5) , mit einem in dem Gehäuse (15) angeordneten, sich entlang einer Hauptachse (2) erstreckenden Laufschaufelträger (11) , und mit einem in dem Einströmbereich (3) angeordneten Abschirmelement (19) , wel- ches der Abschirmung des Laufschaufelträgers (11) gegenüber dem Aktionsfluid (4) dient und durch eine Halterung (22) an dem Gehäuse (15) befestigt ist, wobei die Zuführung (8) durch die Halterung (22) geführt ist.

2. Turbomaschine (1) nach Anspruch 1, bei der die Zuführung in dem Gehäuse (15) zumindest teilweise in der Umgebung des Einströmbereichs (3) zu dessen Kühlung geführt ist.

3. Turbomaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Halterung (22) als eine erste Leitschaufel (6) ausgebildet ist.

4. Turbomaschine (1) nach einem der vohergehenden Ansprüche, bei der die Halterung (22) zumindest eine mit der Zuführung (8) verbundene Abzweigleitung (23) aufweist, welche in den Einströmbereich (3) mündet.

5. Turbomaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der in dem Abschirmelement (19) zumindest eine Ab- Zweigleitung (24) vorgesehen ist, die mit der Zuführung (8) verbunden ist und in den Einströmbereich (3) mündet.

6. Turbomaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zwischen dem Abschirmelement (19) und dem Laufschau- feiträger (11) ein Zwischenraum (9) gebildet ist, in den die Zuführung (8) mündet.

7. Turbomaschine (1) nach Anspruch 6, bei der eine Kühlfluid¬ leitung (13) von dem Zwischenraum (9) in den Laufschaufelträ¬ ger (11) geführt ist.

8. Turbomaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Laufschaufelträger (11) zumindest zwei Läufer¬ scheiben (29) aufweist, die durch einen Zuganker (28) mitein¬ ander verbunden sind, wobei die Kühlfluidleitung (13) in ei¬ nen Ringraum (27) zwischen einer Läuferscheibe (29) und einem Zuganker (28) mündet.

9. Turbomaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Abschirmelement (19) zur Fluidstromteilung und/oder zur Fluidumlenkung in Richtung der Hauptachse (2) ausgebildet ist.

10. Turbomaschine (1), insbesondere Dampfturbine, mit einem Gehäuse (15) , mit einem zumindest teilweise durch das Gehäuse (15) gebildeten Einströmbereich (3) für Aktionsfluid (4) und mit einer Zuführung (8) für Kühlfluid (5) in dem Gehäuse (15) zur Kühlung des Gehäuses (15) in der Umgebung des Einströmbe¬ reichs (3) .

11. Turbomaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, bei der zumindest eine Sperrfluidleitung(14) vorgesehen ist, die mit der Zuführung (8) verbunden ist und in einem Ge¬ häusebereich (25) gegenüberliegend einer Laufschaufel (7) oder in einem Laufschaufelträgerbereich (26) gegenüberliegend einer Leitschaufei (6a) mündet.

12. Turbomaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, die eine zweiflutigen Mitteldruck-Dampfturbine (15) ist.

13. Verfahren zur Kühlung zumindest einer Komponente, welche an einen Einströmbereich (3) einer Turbomaschine (1), insbe¬ sondere einer Dampfturbine, angrenzt, welcher zumindest teil¬ weise von einem Gehäuse (15) gebildet ist, bei dem Kühlfluid (5), insbesondere Kühlluft oder Prozeßdampf, durch das Ge¬ häuse (15) , insbesondere in der Umgebung des Einströmbereichs (3) , einem Abschirmelement (19) zur Reduktion der Temperatur- belastung eines in dem Gehäuse (15) angeordneten Laufschau- felträgers (11) zugeführt wird.