EP0906493B1 - Turbomaschine sowie verfahren zur kühlung einer turbomaschine - Google Patents

Description

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 Verwendung von Dampf mit einem solchen Dampfzustand stellt erhöhte Anforderungen an eine entsprechend beaufschlagte Dampfturbine, insbesondere an die an den Einströmbereich des Aktionsfluides grenzenden Komponenten der Dampfturbine, wie Gehäusewandung und Turbinenwelle.

In dem Artikel "Dampfturbinen für fortgeschrittene Kraftwerkskonzepte 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 Bohrungen in der Läuferabschirmung in Drehrichtung der Turbinenwelle 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 Läufers in der Umgebung der Läuferabschirmung von etwa 15 K erreichen. Eine nähere Erläuterung dieser Läuferabschirmung, welche die Turbinenwelle mit Abstand umschließt und mit den radial inneren Enden der Leitschaufeln des ersten Leitschaufelkranzes verbunden ist, ist in der EP 0 088 944 B1 beschrieben. In der Läuferabschirmung 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 A1 entnehmbar.

In der schweizer Patentschrift 430 757 ist ein Abschirmelement in einem Einströmbereich einer Dampfturbine beschrieben. Dieses Abschirmelement ist mit einer mittig im Einströmbereich, d.h. in dem Strom des heißen Aktionsdampfes, angeordneten Zuführung verbunden. Diese Zuführung dient der Halterung des Abschirmelementes.

In der DE 34 06 071 A1 ist eine zweiflutige Dampfturbine beschrieben, welche in einem Einströmbereich für Heißdampf ein Abschirmelement für eine Turbinenwelle aufweist. Dieses Abschirmelement ist über die ersten Leitschaufelreihen mit dem Gehäuse verbunden. Zwischen dem Abschirmelement und der Turbinenwelle ist ein Spalt gebildet. Das Abschirmelement weist in seiner Mitte einen Einlaß für den Heißdampf auf, wobei der in den Spalt einströmende Heißdampf vor der ersten Laufschaufelreihe in die Hauptströmung des Heißdampfes zurückströmt.

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

Erfindungsgemäß wird die auf eine Turbomaschine, insbesondere eine Dampfturbine, gerichtete Aufgabe durch eine solche gelöst, welche ein Gehäuse mit einem zumindest teilweise durch das Gehäuse gebildeten Einströmbereich für Aktionsfluid aufweist, wobei eine Zuführung für ein Kühlfluid in dem Gehäuse vorgesehen ist, durch die eine Kühlung des Gehäuses, insbesondere der an den Einströmbereich angrenzenden Gehäusewandungen, durchführbar ist. Durch Ausführung eines Gehäuses mit einer solchen Zuführung für Kühlfluid kann auch bei Einströmung von Aktionsfluid in den Einströmbereich mit Temperaturen von oberhalb 550 °C die Temperatur des Gehäuses deutlich erniedrigt werden, wodurch die Verwendung bekannter Werkstoffe, insbesondere martensitischer Chromstähle, möglich ist oder der Einsatz neuer Werkstoffe auf reduziertem Temperaturniveau ermöglicht wird. Bei dem Kühlfluid kann es sich um Prozeßdampf einer Dampfturbinenanlage mit mehreren Teilturbinen, gesondertem Kühldampf oder Kühlluft handeln.

Alternativ oder zusätzlich weist die Turbomaschine vorzugsweise ein an den Einströmbereich angrenzendes Abschirmelement auf, welches einen sich entlang einer Hauptachse in dem Gehäuse erstreckenden Laufschaufelträger gegenüber dem Aktionsfluid abschirmt und durch eine Halterung an dem Gehäuse befestigt ist, wobei die Zuführung durch die Halterung in das Abschirmelement 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 angrenzenden Wänden, eine Kühlung der Halterung, eine Kühlung des Abschirmelementes und damit auch eine Kühlung des Laufschaufelträgers. Durch eine sich aus mehreren Teilstrecken zusammensetzende, durch den Strömungsweg des Aktionsfluides hindurchgeführte Zuführung wird mit einer einzigen Kühlfluidströmung eine effektive Kühlung einer Mehrzahl von Komponenten der Turbomaschine erreicht.

Vorzugsweise ist die Halterung in zumindest eine in Richtung des Aktionsfluides gesehen erste Leitschaufelreihe integriert. Zur Erhöhung der Kühlung dieser ersten Leitschaufelreihe, d. h. der Halterung, ist eine Abzweigleitung, vorzugsweise eine Mehrzahl von Abzweigleitungen vorgesehen, welche mit der Zuführung verbunden ist (bzw. sind) und in den Einströmbereich 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 Filmkühlung des Abschirmelementes und damit mittelbar zu einer weiteren Reduktion der Temperaturbelastung des Laufschaufelträgers. Das Abschirmelement kann zusätzlich einen mit der Zuführung verbundenen Hohlraum aufweisen, wodurch ein erhöhter 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 Zwischenraum gebildet, in den die Zuführung mündet. Der Zwischenraum ist somit mit Kühlfluid füllbar, so daß ein Wärmeübertrag 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 Gehäuse und Laufschaufelträger strömenden Aktionsfluides gewährleistet ist. Von dem Zwischenraum führt vorzugsweise eine Kühlfluidleitung, insbesondere als radiale Bohrung ausgebildet, 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 Zugankers verbunden sind, zu einer weiteren Kühlung. Hierbei erfolgt eine Einführung von Kühlfluid in einen zwischen dem Zuganker und der Läuferscheibe gebildeten Ringraum. Selbstverständlich ist auch eine Kühlung einer im wesentlichen einstöckigen 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 Komponenten der Turbomaschine ermöglicht eine Zuführung von Kühlfluid durch das Gehäuse hindurch auch eine Verminderung einer Leckströmung von Aktionsfluid zwischen einem Spalt einer rotierenden Komponente (Laufschaufel, Laufschaufelträger) und einer feststehenden Komponente (Leitschaufel, Gehäuse) der Dampfturbine. Diese sogenannten Spaltverluste können dadurch reduziert werden, daß durch entsprechende Abzweigleitungen in dem Gehäuse bzw. dem Laufschaufelträger Kühlfluid aus der Zuführung, dem Zwischenraum oder der Kühlfluidleitung abzweigbar und in diesen Spalt führbar ist. Eine solche Abzweigleitung 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 Stromteilung und/oder zur Umlenkung des Aktionsfluides in Richtung der Hauptachse ausgebildet ist. Der Einströmbereich ist vorzugsweise für eine Führung des Aktionsfluides in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zur Hauptachse des Laufschaufelträgers 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 Dampfturbine 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 Prozeßdampf verlorengeht, kann hiermit gegebenenfalls auch eine Wirkungsgraderhöhung der Dampfturbine erreicht werden.

Die auf ein Verfahren zur Kühlung einer an den Einströmbereich einer Turbomaschine, insbesondere einer Dampfturbine, angrenzenden Komponente gerichtete Aufgabe, wird dadurch gelöst, daß Kühlfluid durch ein zumindest teilweise den Einströmbereich bildendes Gehäuse, insbesondere in der Umgebung des Einströmbereiches geleitet und von dort einem Abschirmelement zur Reduktion der Temperaturbelastung eines in dem Gehäuse angeordneten Laufschaufelträgers zugeführt wird.

Anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles 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 Mitteldruck-Dampfturbine einer Dampfturbinenanlage. In einem Gehäuse 15 der Turbomaschine ist ein sich entlang einer Hauptachse 2 erstreckender Laufschaufelträger 11 dargestellt. Dieser ist aus einer Mehrzahl von Läuferscheiben 29 hergestellt, von denen der Übersichtlichkeit halber nur eine dargestellt ist. Durch die Läuferscheibe 29 ist zentral entlang der Hauptachse 2 ein Zuganker 28 geführt, der die Läuferscheiben zu dem Laufschaufelträger 11 zusammenfügt. Selbstverständlich 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 Einströmachse 17 senkrecht zur Hauptachse 2 erstreckt. Durch das Gehäuse 15 ist in der Nähe des Einströmbereiches 3 im wesentlichen ebenfalls parallel zur Einströmachse 17 eine Kühlfluidzuführung 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 Halterung 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 verbundenen Hohlraum 18 auf, der sich im wesentlichen parallel zur Hauptachse 2 erstreckt und teilweise in Richtung des Einströmbereiches 3 verbreitert ist. Von dem Hohlraum 18 zweigen Abzweigleitungen 24 ab, die in den Einströmbereich 3 münden. Hierdurch wird, wie durch die Abzweigleitungen 23 der Leitschaufeln 6, eine entsprechende Filmkühlung des Abschirmelementes 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 Aktionsfluides 4 hinein und durchläuft somit die aus den Laufschaufeln 7 und den nachgeordneten Leitschaufeln 6a gebildeten Turbinenstufen. Von dem Zwischenraum 9 führt eine als axiale Bohrung ausgebildete Kühlfluidleitung 13 in den Laufschaufelträger 11 hinein und mündet dort in einen zwischen dem Zuganker 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 Läuferscheibe 29 bzw. einer oder mehrerer nachgeordneter Läuferscheiben, eine Sperrfluidleitung 14 vorgesehen, die von dem Ringspalt 27 in einen Laufschaufelträgerbereich 26 münden, der unmittelbar einer Laufschaufel 6a gegenüberliegt. Hierdurch erfolgt eine Strömung des Kühlfluides 5 in den zwischen dem Laufschaufelträgerbereich 26 und der Leitschaufel 6a gebildeten 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 erhöhen. Weitere von Kühlfluid 5 durchströmbare Sperrfluidleitungen 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 Laufschaufel 7 gegenüberliegt. Hierdurch ist neben einer Kühlüng ebenfalls eine Abdichtung dieses Spaltes durch das nunmehr zusätzlich als Sperrfluid wirkende Kühlfluid 5 gegeben.

Die Erfindung zeichnet sich durch eine Kühlung von vorzugsweise mehreren Komponenten einer Turbomaschine aus, die an einen Einströmbereich für ein heißes Aktionsfluid, insbesondere Dampf von über 550 °C, angrenzen. Die Kühlung erfolgt durch Einleitung eines Kühlfluides, insbesondere Prozeßdampf einer Dampfturbinenanlage oder Kühlluft, durch eine Zuführung, welche in einem oberflächennahen, dem Einströmbereich zugewandten Teil des Gehäuses angeordnet ist. Von dort wird die Kühlluft durch die erste Leitschaufelreihe in ein Abschirmelement geführt, welches an der Leitschaufelreihe befestigt 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 rotierende Komponente (Laufschaufel, Laufschaufelträger) und eine feststehende Komponente (Leitschaufel, Gehäuse) geführt werden, wodurch die Abdichtung einer berührungsfreien Dichtung deutlich verbessert wird.

Claims (9)

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), welches 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, wobei zwischen dem Abschirmelement (19) und dem Laufschaufelträger (11) ein Zwischenraum (9) gebildet ist, in den die Zuführung (8) mündet,
   dadurch gekennzeichnet,dass
   die Halterung (22) als eine erste Leitschaufel (6) ausgebildet 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 einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Halterung (22) zumindest eine mit der Zuführung (8) verbundene Abzweigleitung (23) aufweist, welche in den Einströmbereich (3) mündet.
4. Turbomaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der in dem Abschirmelement (19) zumindest eine Abzweigleitung (24) vorgesehen ist, die mit der Zuführung (8) verbunden ist und in den Einströmbereich (3) mündet.
5. Turbomaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine Kühlfluidleitung (13) von dem Zwischenraum (9) in den Laufschaufelträger (11) geführt ist.
6. Turbomaschine (1) nach Anspruch 5 , bei der der Laufschaufelträger (11) zumindest zwei Läuferscheiben (29) aufweist, die durch einen Zuganker (28) miteinander verbunden sind, wobei die Kühlfluidleitung (13) in einen Ringraum (27) zwischen einer Läuferscheibe (29) und einem Zuganker (28) mündet.
7. Turbomaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Abschirmelement (19) zur Fluidstromleitung und/oder zur Fluidumlenkung in Richtung der Hauptachse (2) ausgebildet ist.
8. Turbomaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zumindest eine Sperrfluidleitung (14) vorgesehen ist, die mit der Zuführung (8) verbunden ist und in einem Gehäusebereich (25) gegenüberliegend einer Laufschaufel (7) oder in einem Laufschaufelträgerbereich (26) gegenüberliegend einer Leitschaufel (6a) mündet.
9. Turbomaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine zweiflutigen Mitteldruck-Dampfturbine (15) ist.

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