EP0914543A1 - Turbinenanlage mit schubelement sowie schubelement - Google Patents

Turbinenanlage mit schubelement sowie schubelement

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EP0914543A1
EP0914543A1 EP97935458A EP97935458A EP0914543A1 EP 0914543 A1 EP0914543 A1 EP 0914543A1 EP 97935458 A EP97935458 A EP 97935458A EP 97935458 A EP97935458 A EP 97935458A EP 0914543 A1 EP0914543 A1 EP 0914543A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
turbine
expansion
axial
component
expansion component
Prior art date
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Application number
EP97935458A
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP0914543B1 (de
Inventor
Heinrich Oeynhausen
Axel Remberg
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP0914543A1 publication Critical patent/EP0914543A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0914543B1 publication Critical patent/EP0914543B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F01D25/28—Supporting or mounting arrangements, e.g. for turbine casing
    • 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
    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
    • F01D25/26—Double casings; Measures against temperature strain in casings

Definitions

  • the invention relates to a turbine system, in particular a steam turbine system with at least two sub-turbines, each of which has a turbine runner extending along a main axis, the turbine runner being rigidly connected to one another.
  • Each turbine section has an inner housing that accommodates the guide vise, at least one of the inner housings being displaceable in the axial direction.
  • a thermally expanding thrust element is provided for an axial displacement of this inner housing.
  • the invention further relates to a thrust element per se.
  • DE 35 22 916 AI describes a turbo set with at least one low-pressure partial turbine having an outer housing and an inner housing coaxial therewith and with at least one high-pressure and / or medium-pressure partial turbine arranged coaxially and upstream of the low-pressure partial turbine.
  • the shafts of the partial turbines are rigidly coupled together to form a shaft train. Upstream of the low-pressure turbine section there is an axial bearing for the shaft train, which defines a reference plane from which the axial shaft expansion and displacement originate.
  • the inner housing is connected by means of thrust-transmitting coupling rods to the axially movably mounted end of an axially adjacent partial turbine housing or to a turbine bearing housing.
  • the coupling rods are led out through a wall of the outer housing by means of sealing elements which also allow limited transverse movement, in a heat-mobile and vacuum-tight manner.
  • a turbine bearing upstream of the low-pressure part turbine defines a second reference plane, from which the axial expansion and displacement of the part-turbine housing supported on this turbine bearing and the one coupled to it
  • Part turbine housing take their exit. This results in an axial displacement of the shaft train and the partial turbo housing with practically the same axial expansion and in the same direction, with only minimal axial play between adjacent rotor and guide vane rings.
  • the thrust transmission by means of the coupling rods is placed in the area of thrust-transmitting turbine bearings.
  • a vacuum-tight bushing of the coupling rods is structurally combined with a horizontally heat-moveable claw bearing of the inner casing of the low-pressure turbine.
  • the claw arms of the inner housing extend in the direction parallel to the shaft and lie on the supports of the associated bearing housing with slidable support and guide surfaces.
  • the coupling rods are non-positively coupled to the claw arms in the area of the turbine bearings, in particular a membrane seal for a vacuum-tight bushing with an outer ring flange on an end face of the outer housing of the low-pressure turbine part and an inner ring flange on a part of the turbine bearing housing part is connected in a vacuum-tight manner.
  • the arrangement of the sealing elements between the seating surfaces on the outer housing end wall and on the bearing housing, that is to say between parts of only slight relative displacement, means that the larger thermal displacements of the inner housing are decoupled from the sealing elements.
  • DE-AS 1 216 322 describes a steam or gas turbine with a plurality of partial turbines arranged coaxially one behind the other, the shafts of which are rigidly coupled to one another and at least one of whose housings is axially displaceable and is coupled to a stationary partial turbine housing or bearing block.
  • the turbine low pressure housings each consist of an outer and an inner housing.
  • the inner casing of the low-pressure turbine is coupled to an adjacent partial turbine casing or a bearing block by means of a linkage which is passed through the wall of the outer casing in a vapor-tight and heat-moving manner.
  • the linkage can be a single rod which is sealed in the outer housing wall by an axially and radially flexible bellows.
  • the linkage can continue to consist of three axially there are rows of hinged, hinged rods, the middle one of which is axially movable in a bushing with a sliding fit.
  • Such a linkage should result in an axial displacement of the housing, by means of which the axial play between the rotor and the housing is kept as constant as possible.
  • it is possible to change the length of the linkage by changing its temperature. This change in temperature is carried out by additional thermal stress on the boom using steam or a liquid.
  • This starting point of the thermal expansions of the inner housing differs from the starting point of the thermal expansions of the rotor, which is defined in a bearing located further upstream.
  • the expansion pipes are connected to the corresponding outer casings of the low-pressure turbine sections via respective compensators, so that the absolute expansion of the system consisting of the inner casing and coupling rods must be absorbed by the compensators.
  • steam must be fed to the expansion tubes in a predetermined manner. This steam must either be removed from the steam process or made available separately. be put.
  • a control and monitoring system is also required, which, depending on the operating state of the steam turbines, feeds the steam to the expansion tubes to compensate for the axial play.
  • the object of the invention is to provide a turbine system in which an axial play between the rotor and the inner housing remains below a predeterminable value in a simple manner, in particular without complex control and monitoring systems.
  • Another object of the invention is to provide a corresponding thrust element for reducing the axial play between the turbine rotor and the inner housing of a turbine system.
  • a thermally expanding thrust element is provided on an inner housing which is displaceable in the axial direction for axial displacement and which has a first expansion component and a second expansion component which are connected to one another via a coupling component.
  • This coupling component mechanically and / or hydraulically effects an axial displacement of the second expansion component that is greater than an axial displacement and / or axial thermal expansion of the first expansion component.
  • the coupling element is preferably a mechanical lever.
  • This lever can be rotated about a fixed point, the first expansion component and the second expansion component also being rotatably connected to the lever at a respective connection point.
  • the distance between the second connection point and the fixed point is greater than the distance between the first connection point and the fixed point.
  • a displacement of the first connection point caused by a thermal expansion and / or a displacement of the first expansion component thus causes the mechanical lever to rotate about its fixed point. Since the lever arm of the second expansion component, ie the distance between the second connection point and the fixed point, is larger than the lever arm of the first expansion component, the mechanical lever causes an axial displacement of the second expansion component, which is rectified and larger than the axial displacement of the first connection point.
  • the relative expansion of the third low-pressure inner housing with respect to the turbine rotor is kept so low that between the stationary guide vanes and the rotating ones Blades even under full load of the steam turbine system the axial play remains below a predeterminable value.
  • the axial play can be set to a value which essentially corresponds to the axial play of the other low-pressure sub-turbines by the choice of the corresponding rectified lever arms. This means that all low-pressure turbines can be designed identically.
  • a coupling component that mechanically and / or hydraulically strengthens the axial displacement and / or axial expansion of the first expansion component in the same direction can be implemented in a structurally simple manner, requires no complicated monitoring and regulating device and Steam supply via additional lines. With such a coupling component, a reduction in the axial play between guide vanes and rotor blades of a turbine system is thus achieved with little constructional and operational expenditure, as a result of which the efficiency of the turbine system can be increased.
  • the thrust element together with a support of a bearing supporting the inner housing, is preferably passed through a seal of an outer housing surrounding the inner housing.
  • the seal preferably has a sealing bellows which can be expanded in the axial direction.
  • an axial expansion joint comprising the thrust element with a displacement amplifier (lever), an inner housing or a plurality of inner housings and optionally thrust elements without a displacement amplifier (coupling rods), and the interconnected turbine rotors have a common axial fixed point.
  • this axial fixed point is preferably a turbine bearing arranged in the axial direction in front of all the partial turbines and used to support the outer casing of the medium-pressure sub-turbine.
  • the task aimed at a thrust element for reducing different axial expansion between two components which can be expanded independently of one another along a main axis, in particular turbine rotor and inner housing of a turbine system, is achieved by a thrust element with a first expansion component, a second expansion component and a coupling component.
  • the coupling component is preferably a mechanical lever which can be rotated about a fixed point and on which the first expansion component and the second expansion component are on the same Side of the lever are rotatably connected at a respective connection point.
  • the second connection point is further apart from the fixed point than the first connection point.
  • the thrust element can also have a hydraulic displacement amplifier, for example formed by a hydraulic channel tapering along the main axis, at the ends of which the first expansion component and the second expansion component are connected.
  • a displacement of the first expansion component in the direction of the tapering of the hydraulic channel causes a displacement of an incompressible hydraulic fluid arranged therein into the tapering part. Due to the constant volume, the hydraulic fluid penetrates further into the tapered part than was displaced by the first expansion component. This results in an increase in displacement due to the incompressible hydraulic fluid.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a steam turbine system
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through a bearing between two low-pressure partial turbines with a thrust element
  • FIG. 3 shows a plan view of the thrust element according to FIG. 2.
  • the first figure 1 shows a steam turbine system 1 with a high-pressure sub-turbine 23, a medium-pressure sub-turbine 2 and three substantially identical low-pressure sub-turbines 3a, 3b, 3c arranged one behind the other along a main axis 4.
  • the low-pressure sub-turbines 3a, 3b, 3c are connected to the medium-pressure sub-turbine 2 in terms of flow technology by means of a steam supply 24.
  • the medium-pressure turbine section 2 has an external housing 22 on.
  • Each low-pressure turbine part 3a, 3b, 3c has a respective inner housing 8a, 8b, 8c and an outer housing 14 surrounding the inner housing 8a, 8b, 8c.
  • Each inner housing 8a, 8b, 8c carries the guide vanes 6 for low-pressure steam application.
  • each inner housing 8a, 8b, 8c there is a respective turbine rotor 5 which extends along the main axis 4 and which carries the low-pressure rotor blades 27.
  • the medium-pressure turbine section 2 has an inner housing 7.
  • a bearing 15 is arranged between the medium-pressure sub-turbine 2 and the first low-pressure sub-turbine 3a and between the respectively adjacent low-pressure sub-turbines 3a, 3b, 3c. This bearing 15 serves both to support the turbine runner 5 and the respective inner housing 8a, 8b, 8c.
  • a bearing 15a is also provided between the high-pressure sub-turbine 23 and the medium-pressure sub-turbine 2 for mounting the turbine rotors of these sub-turbines 2, 23.
  • a coupling rod 9a is guided parallel to the main axis 4.
  • a respective coupling rod 9a connects the medium-pressure turbine section 2 to the first low-pressure turbine section 3a and the mutually adjacent inner casings 8a, 8b, 8c of the low-pressure turbine sections 3a, 3b, 3c to one another.
  • the outer housing 22, the inner housing 8a, 8b, 8c and the coupling rods 9a, 21 connecting them form an expansion joint which, when exposed to hot steam, extends axially in the direction of the main axis 4.
  • This expansion joint thus formed has a fixed point 20, which is located on the bearing 15a between the high-pressure turbine section 23 and the medium-pressure turbine section 2.
  • the size of the thermal expansion calculated from this fixed point 20 along the main axis 4 is represented by the expansion line 25.
  • a corresponding expansion line 26 of the rigidly interconnected turbine rotors 5 of the medium-pressure sub-turbine 2 and the low-pressure sub-turbines 3a, 3b, 3c is also shown.
  • a thrust element 9 shown in more detail in FIGS. 2 and 3 with an increase in the displacement of an inner housing 8a, 8b, 8c of a low-pressure partial turbine 3a, 3b, 3c, such an expansion difference can be reduced significantly by a predeterminable value.
  • a thrust element 9 can be arranged as a replacement for a coupling rod 9a between the medium-pressure sub-turbine 2 and the first low-pressure sub-turbine 3a and between adjacent low-pressure sub-turbines 3a, 3b, 3c. It is preferably arranged between the last two low-pressure turbine sections 8b, 8c.
  • the thrust element 9 has an essentially rod-shaped first expansion component 10a and a likewise essentially rod-shaped expansion component 10b.
  • expansion components 10a, 10b are connected to one another in an articulated manner via a coupling component 11.
  • the coupling component is a mechanical lever which can be rotated about a fixed point 12.
  • each of the expansion components 10a, 10b is rotatably connected to the expansion component 11 in the direction of the main axis 4 by means of pins (not shown).
  • the connection point 13a is closer to the fixed point 12 than the connection point 13b.
  • the connection point 13a lies between the connection point 13b and the fixed point 12, so that a displacement of the connection point 13a in the direction of the main axis 4 requires a greater displacement of the connection point 13b in the direction of the main axis 4.
  • the expansion components 10a, 10b penetrate a respective bearing 15 and, together with a respective bearing area 28b, 28c, are guided through the respective outer housing 14 of the corresponding low-pressure partial turbine 3b, 3c.
  • This procedure is carried out in a gastight manner by means of a respective seal 16, the seal 16 having a sealing bellows 18 which can be stretched in the direction of the main axis 4.
  • the inner housing 8b in which the expansion component 10a is screwed, rests on the support 28a.
  • the inner housing 8c rests on the support 28b, and the expansion component 10b is firmly screwed into a corresponding claw 17 of this inner housing 8c.
  • the coupling component 11 can be used to set a corresponding displacement gain by a predeterminable value.
  • the coupling component 11 thus realizes a displacement amplification in a structurally simple and largely maintenance-free manner without a complex control, checking and pipe system, as would be necessary in the case of displacement amplification by means of a temperature increase due to steam.
  • the invention is characterized by a thrust element in a turbine system with a plurality of partial turbines, by means of which a displacement amplification is achieved mechanically and / or hydraulically.
  • the thrust element preferably has a coupling component, which represents a mechanical lever, on the articulated two push rods with different, but on the same side lying with respect to a fixed point lever arms.
  • a displacement amplification of the displacement of an inner casing of a partial turbine generated in the axial direction allows the axial play to be reduced between the blades of a turbine rotor and the guide blades of the inner casing. In addition to using essentially identical inner housings, this also means increasing the efficiency of the entire turbine system.
  • the turbine system is preferably a steam turbine system with a high-pressure partial turbine, a medium-pressure partial turbine and two or more, in particular three, low-pressure partial turbines.
  • a thrust element is also suitable for reducing the axial play in a gas turbine system with several partial turbines.

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Description

Beschreibung
Turbinenanlage mit Schubelement sowie Schubelement
Die Erfindung betrifft eine Turbinenanlage, insbesondere eine Dampf urbinenanlage mit zumindest zwei Teilturbinen, deren jede einen sich entlang einer Hauptachse erstreckenden Turbinenläufer aufweist, wobei die Turbinenläufer starr miteinander verbunden sind. Jede Teilturbine hat ein die Leitschau- fein aufnehmendes Innengehäuse, wobei zumindest eines der Innengehäuse in axialer Richtung verschieblich ist . Für eine axiale Verschiebung dieses Innengehäuses ist ein sich thermisch ausdehnendes Schubelement vorgesehen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Schubelement an sich.
In der DE 35 22 916 AI ist ein Turbosatz mit wenigstens einer ein Außengehäuse und ein dazu koaxiales Innengehäuse aufweisenden Niederdruck-Teilturbine und mit wenigstens einer koaxial und stromauf zur Niederdruck-Teilturbine angeordneten Hochdruck- und/oder Mitteldruck-Teilturbine beschrieben. Die Wellen der Teilturbinen sind starr mieeinander zu einem Wellenstrang gekuppelt. Stromauf der Niederdruck-Teilturbine ist ein Axiallager für den Wellenstrang vorgelagert, welches eine Referenzebene definiert, von der die axiale Wellendehnung und -Verschiebung ihren Ausgang nimmt. Das Innengehäuse ist mittels schubübertragender KupplungsStangen an das axial-beweglich gelagerte Ende eines axial benachbarten Teilturbinen-Gehäuse oder an ein Turbinenlagergehäuse angeschlossen. Die Kupplungsstangen sind durch eine Wand des Außengehäuses mit- tels auch eine begrenzte Querbewegung ermöglichenden Dichtungselementen wärmebeweglich und vakuumdicht hinausgeführt. Ein der Niederdruck-Teilturbine vorgelagertes Turbinenlager definiert eine zweite Referenzebene, von welcher die axiale Dehnung und Verschiebung des auf diesem Turbinenlager aufge- lagerten Teilturbinen-Gehäuses und des daran angekoppelten
Teilturbinen-Gehäuses ihren Ausgang nehmen. Hierdurch erfolgt eine axiale Verschiebung des Wellenstrangs und der Teilturbi- nengehäuse auf praktisch gleicher axialer Dehnung und in gleicher Richtung, wobei zwischen einander benachbarten Laufund Leitschaufelkränzen nur minimale Axialspiele entstehen. Die Schubübertragung mittels der KupplungsStangen ist in den Bereich schubübertragender Turbinenlager gelegt . Zudem ist eine vakuumdichte Durchführung der KupplungsStangen baulich vereinigt mit einer horizontal wärmebeweglichen Pratzenlagerung des Innengehäuses der Niederdruck-Teilturbine. Die Pratzenarme des Innengehäuses erstrecken sich in wellenachsparal- leler Richtung und liegen mit gleitfähigen Trag- und Führungsflächen an den Auflagern des zugehörigen Lagergehäuses auf. Die Kupplungsstangen sind in dem Bereich der Turbinenlager mit den Pratzenarmen kraftschlüssig gekuppelt, insbesondere ist eine Membrandichtung für eine vakuumdichte Durchfüh- rung mit einem äußeren Ringflansch an einer Stirnfläche des Außengehäuses der Niederdruck-Teilturbine und mit einem inneren Ringflansch an einer Turbinenlagergehäuse-Partie vakuumdicht angeschlossen. Die Anordnung der Dichtungselemente zwischen Sitzflächen an der Außengehäuse-Stirnwand und am Lager- gehäuse, also zwischen Teilen nur geringer Relatiwerschie- bung, bedingt, daß die größeren Wärmeverschiebungen der Innengehäuse von den Dichtungselementen entkoppelt sind.
In der DE-AS 1 216 322 ist eine Dampf- oder Gasturbine be- schrieben mit mehreren, koaxial hintereinander angeordneten Teilturbinen, deren Wellen miteinander starr verkuppelt und von deren Gehäusen mindestens eines axial verschiebbar und mit einem ortsfesten Teilturbinengehäuse oder Lagerbock gekuppelt ist. Die Niederdruckgehäuse der Turbine bestehen je- weils aus einem Außen- und einem Innengehäuse. Es erfolgt eine Kupplung des Innengehäuses der Niederdruckturbine mit einem benachbarten Teilturbinengehäuse bzw. einem Lagerbock durch ein Gestänge, das durch die Wand des Außengehäuses dampfdicht und wärmebeweglich hindurchgeführt ist. Das Ge- stänge kann eine einzige Stange sein, die in der Außengehäu- sewand durch einen axial und radial nachgiebigen Faltenbalg abgedichtet ist . Das Gestänge kann weiterhin aus drei axial aneinander gereihten, gelenkig miteinander verbundenen Stangen bestehen, deren mittlere in einer Büchse der Außengehäu- sewand mit Gleitpassung axial beweglich ist. Durch ein solches Gestänge soll eine Axialverschiebung der Gehäuse erfol- gen, durch die das Axialspiel zwischen dem Läufer und den Gehäusen möglichst konstant gehalten ist. Um die Größe des Axialspiels zu ändern, ist eine Änderung der Länge des Gestänges durch eine Änderung seiner Temperatur möglich. Diese Änderung der Temperatur wird durch eine zusätzliche Wärmebe- lastung des Gestänges mittels Dampf oder einer Flüssigkeit durchgeführt.
Eine solche Änderung der Größe des Axialspiels, bei der durch ein Rohr heißer Dampf geführt wird, ist in der GB- PS 1,145,612 beschrieben. Ein axial ausdehnbares Rohr ist an jeder seiner Stirnseiten mit einer Stange verbunden, die jeweils wiederum an dem Innengehäuse einer Niederdruck-Teilturbine befestigt ist. Eine axiale Verschiebung der Innengehäuse gegenüber einem Turbinenläufer setzt sich aus der jeweiligen Dehnung der Innengehäuse, der Dehnung der Kupplungsstangen sowie der Dehnung der Dehnungsrohre zusammen. Die thermische Dehnung der untereinander gekuppelten Innengehäuse wird ausgehend von einem Fixpunkt, der an dem Außengehäuse der am weitesten stromauf liegenden Niederdruck-Teilturbine angeord- net ist, definiert. Dieser Ausgangspunkt der thermischen Dehnungen der Innengehäuse unterscheidet sich von dem Ausgangspunkt der thermischen Dehnungen des Läufers, welcher in einem weiter stromauf liegenden Lager definiert ist. Die Dehnungsrohre sind über jeweilige Kompensatoren mit den entsprechen- den Außengehäusen der Niederdruck-TEilturbinen verbunden, so daß die absolute Dehnung des Systems aus Innengehäusen und KupplungsStangen von den Kompensatoren aufgenommen werden muß. Um eine weitgehende Konstanz zwischen der Dehnung des Turbinenläufers und dem System aus Innengehäusen und Kupp- lungsstange zu gewährleisten, ist in einer vorgegebenen Weise Dampf den Dehnungsrohren zuzuführen. Dieser Dampf muß entweder em Dampfprozeß entnommen oder separat zur Verfügung ge- stellt werden. Auch bedarf es eines Regelungs- und eines ÜberwachungsSystems, durch das je nach Betriebszustand der Dampfturbinen den Dehnungsröhren der zum Ausgleich des Axial- spiels erforderliche Dampf zugeleitet wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Turbinenanlage anzugeben, bei der auf einfache Art und Weise, insbesondere ohne aufwendige Regelungs- und Überwachungssysteme, ein Axialspiel zwischen Läufer und Innengehäuse unter einem vorgebbaren Wert bleibt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein ensprechendes Schubelement zur Verringerung des Axialspiels zwischen Turbinenläufer und Innengehäuse einer Turbinenanlage anzugeben .
Die auf eine Turbinenanlage gerichtete Aufgabe wird dadurch gelöst, daß an einem in axialer Richtung verschieblichen Innengehäuse für eine axiale Verschiebung ein sich thermisch ausdehnendes Schubelement vorgesehen ist, welches eine erste Dehnkomponente und eine zweite Dehnkomponente aufweist, die über eine Koppelkomponente miteinander verbunden sind. Diese Koppelkomponente bewirkt auf mechanische und/oder hydraulische Art und Weise eine axiale Verschiebung der zweiten Dehnkomponente, die größer als eine axiale Verschiebung und/oder axiale thermische Ausdehnung der ersten Dehnkomponente ist .
Vorzugsweise ist das Koppelelement ein mechanischer Hebel. Dieser Hebel ist um einen Fixpunkt drehbar, wobei die erste Dehnkomponente und die zweite Dehnkomponente an einer jeweiligen Verbindungsstelle ebenfalls drehbar mit dem Hebel ver- bunden sind. Der Abstand der zweiten Verbindungsstelle von dem Fixpunkt ist größer als der Abstand der ersten Verbindungsstelle von dem Fixpunkt . Eine Verschiebung der ersten Verbindungsstelle hervorgerufen durch eine thermische Dehnung und/oder eine Verschiebung der ersten Dehnkomponente bewirkt somit eine Drehung des mechanischen Hebels um seinen Fixpunkt. Da der Hebelarm der zweiten Dehnkomponente, d.h. der Abstand zwischen zweiter Verbindungsstelle und Fixpunkt, größer als der Hebelarm der ersten Dehnkomponente ist, bewirkt der mechanische Hebel eine axiale Verschiebung der zweiten Dehnkomponente, die gleichgerichtet und größer ist als die axiale Verschiebung der ersten Verbindungsstelle.
Hierdurch wird insbesondere bei einer Anordnung von drei Niederdruck-Teilturbinen, die für große Leistung bei niedrigen Kühlwassertemperaturen in einer Dampfturbinenanlage verwendet werden, die Relativdehnung des dritten Niederdruck- Innenge- häuses gegenüber dem Turbinenläufer, so gering gehalten, daß zwischen den stationären Leitschaufeln und den rotierenden Laufschaufeln selbst bei Vollast der Dampfturbinenanlage das Axialspiel unter einem vorgebbaren Wert bleibt . Durch die Wahl der entsprechenden gleichgerichteten Hebelarme ist das Axialspiel auf einen Wert einstellbar, der im wesentlichen dem Axialspiel der anderen Niederdruck-Teilturbinen entspricht. Somit können sämtliche Niederdruck-Teilturbinen baugleich ausgeführt werden.
Selbstverständlich ist es möglich, sämtliche in axialer Richtung nacheinander angeordneten Niederdruck-Teilturbinen über ein Schubelement mit dem beschriebenen einfachen Gelenkmecha- nismus zu verbinden. Durch eine geeignete Wahl der Hebelarme und damit einem entsprechenden Übersetzungsverhältnis lassen sich für jede der Niederdruck-Teilturbinen axiale Bewegungen erzeugen, die die Relativdehnung zum Turbinenläufer um einen vorgebbaren Wert verringern. Insbesondere können die Relativdehnungen jeweils konstant eingestellt werden. Es ist ebenfalls möglich, einzelne Niederdruck-Teilturbinen über starre Schubelemente ohne einen mechanischen oder hydraulischen Verschiebungsverstärker miteinander zu verbinden.
Eine Koppelkomponente, die auf mechanische und/oder hydraulische Art und Weise eine gleichsinnige Verstärkung der Axial- Verschiebung und/oder Axialdehnung der ersten Dehnkomponente bewirkt, ist konstruktiv einfach realisierbar, bedarf keiner komplizierten Überwachungs- und Regelungseinrichtung und kei- ner Zuführung von Dampf über zusätzliche Leitungen. Mit einer solchen Koppelkomponente ist somit mit geringem baulichen und betrieblichen Aufwand eine Verringerung des Axialspiels zwischen Leitschaufeln und Laufschaufeln einer Turbinenanlage erreicht, wodurch der Wirkungsgrad der Turbinenanlage gesteigert werden kann.
Vorzugsweise ist das Schubelement gemeinsam mit einem Auflager eines das Innengehäuse tragenden Lagers durch eine Dich- tung eines das Innengehäuse umgebenden Außengehäuses hindurchgeführt. Die Dichtung weist vorzugsweise einen in axialer Richtung ausdehnbaren Dichtungsbalg auf. Mit der gemeinsamen Durchführung ist eine Reduzierung der Durchführungen des Außengehäuses und damit eine bauliche Vereinfachung gege- ben.
Vorzugsweise haben ein axialer Dehnungsverbund, umfassend das Schubelement mit Verschiebungsverstärker (Hebel) , ein Innengehäuse oder mehrere Innengehäuse und gegebenenfalls Schub- elemente ohne Verschiebungsverstärker (KupplungsStangen) , und die untereinander verbundenen Turbinenläufer einen gemeinsamen axialen Festpunkt. Dieser axiale Festpunkt ist bei einem Dehnungsverbund bestehend aus Außengehäuse einer Mitteldruck- Teilturbine und Innengehäuse zweier oder mehr Niederdruck- Teilturbinen vorzugsweise ein in axialer Richtung vor sämtlichen Teilturbinen angeordnetes, der Lagerung des Außengehäuses der Mitteldruck-Teilturbine dienendes Turbinenlager.
Die auf ein Schubelement zur Verringerung unterschiedlicher axialer Dehnung zwischen zwei unabhängig voneinander entlang einer Hauptachse ausdehnbarer Komponenten, insbesondere Turbinenläufer und Innengehäuse einer Turbinenanlage, gerichtete Aufgabe wird durch ein Schubelement mit einer ersten Dehnkomponente, einer zweiten Dehnkomponente und einer Koppelkompo- nente gelöst. Die Koppelkomponente ist vorzugsweise ein um einen Fixpunkt drehbarer mechanischer Hebel, an dem die erste Dehnkomponente und die zweite Dehnkomponente auf derselben Seite des Hebels an einer jeweiligen Verbindungsstelle drehbar verbunden sind. Die zweite Verbindungsstelle ist von dem Fixpunkt weiter beabstandet als die erste Verbindungsstelle. Hierdurch entsteht infolge der Hebelwirkung bei Verschiebung der ersten Verbindungsstelle eine Verschiebungsverstärkung der zweiten Verbindungsstelle, die somit in axialer Richtung weiter verschoben wird als die erste Verbindungsstelle . Das Schubelement kann auch einen hydraulischen Verschiebungsverstärker aufweisen, beispielsweise gebildet durch einen sich entlang der Hauptachse verjüngenden Hydraulikkanal, an dessen Enden sich jeweils die erste Dehnkomponente sowie die zweite Dehnkomponente anschließen. Eine Verschiebung der ersten Dehnkomponente in Richtung der Verjüngung des Hydraulikkanals bedingt eine Verdrängung eines darin angeordnet inkompres- siblen Hydraulikfluides in den sich verjüngenden Teil. Aufgrund der Volumenkonstanz dringt somit das Hydraulikfluid weiter in den sich verjüngenden Teil ein als es durch die erste Dehnkomponente verdrängt wurde. Hierdurch entsteht eine Verschiebungsverstärkung durch das inkompressible Hydraulik- fluid.
Anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles wird eine Turbinenanlage mit einem Schubelement näher erläutert. Es zeigen:
FIG 1 einen Längsschnitt durch eine Dampfturbinenanlage, FIG 2 einen Längsschnitt durch ein Lager zwischen zwei Niederdruck-Teilturbinen mit einem Schubelement und FIG 3 eine Draufsicht des Schubelementes gemäß FIG 2.
In FIG 1 ist eine Dampf urbinenanlage 1 mit hintereinander entlang einer Hauptachse 4 angeordneter Hochdruck-Teilturbine 23, Mitteldruck-Teilturbine 2 und drei im wesentlichen baugleicher Niederdruck-Teilturbinen 3a, 3b, 3c dargestellt. Die Niederdruck-Teilturbinen 3a, 3b, 3c sind strömungstechnisch durch eine DampfZuführung 24 mit der Mitteldruck-Teilturbine 2 verbunden. Die Mitteldruck-Teilturbine 2 weist ein Außenge- häuse 22 auf. Jede Niederdruck-Teilturbine 3a, 3b, 3c weist ein jeweiliges Innengehäuse 8a, 8b, 8c und ein das Innengehäuse 8a, 8b, 8c umgebendes Außengehäuse 14 auf. Jedes Innengehäuse 8a, 8b, 8c trägt die Leitschaufeln 6 für eine Nieder- druck-Dampfbeaufschlagung. In jedem Innengehäuεe 8a, 8b, 8c ist ein jeweiliger sich entlang der Hauptachse 4 erstreckender Turbinenläufer 5 angeordnet, der die Niederdruck-Lauf- schaufeln 27 trägt. Die Mitteldruck-Teilturbine 2 weist ein Innengehäuse 7 auf. Zwischen der Mitteldruck-Teilturbine 2 und der ersten Niederdruck-Teilturbine 3a und zwischen den jeweils benachbarten Niederdruck-Teilturbinen 3a, 3b, 3c ist jeweils ein Lager 15 angeordnet. Dieses Lager 15 dient sowohl der Lagerung der Turbinenläufer 5 als auch der jeweiligen Innengehäuse 8a, 8b, 8c. Zwischen der Hochdruck-Teilturbine 23 und der Mitteldruck-Teilturbine 2 ist ebenfalls ein Lager 15a zur Lagerung der Turbinenläufer dieser Teilturbinen 2, 23 vorgesehen. Im Bereich der Auflagerung der Innengehäuse 8a, 8b, 8c der jeweiligen Lager 15 ist jeweils parallel zur Hauptachse 4 eine Kupplungsstange 9a geführt. Eine jeweilige Kupplungsstange 9a verbindet die Mitteldruck-Teilturbine 2 mit der ersten Niederdruck-Teilturbine 3a und die einander benachbarten Innengehäuse 8a, 8b, 8c der Niederdruck-Teilturbinen 3a, 3b, 3c untereinander. Das Außengehäuse 22, die Innengehäuse 8a, 8b, 8c sowie die diese verbindende Kupplungs- Stangen 9a, 21 bilden einen Dehnungsverbünd, welcher sich bei einer Beaufschlagung mit heißem Dampf axial in Richtung der Hauptachse 4 ausdehnt . Dieser so gebildete Dehnungsverbund hat einen Festpunkt 20, der an dem Lager 15a zwischen Hochdruck-Teilturbine 23 und Mitteldruck-Teilturbine 2 liegt. Die Größe der thermischen Ausdehnung gerechnet von diesem Festpunkt 20 entlang der Hauptachse 4 ist durch die Dehnungslinie 25 dargestellt. Eine entsprechende Dehnungslinie 26 der starr miteinander verbundenen Turbinenläufer 5 der Mitteldruck- Teilturbine 2 und der Niederdruck-Teilturbinen 3a, 3b, 3c ist ebenfalls dargestellt. Durch eine Verbindung der Niederdruck- Teilturbinen 3a, 3b, 3c zu einem Dehnungsverbund in Kombination mit dem Außengehäuse 22 der Mitteldruck-Teilturbine 2 werden die einzelnen Wärmedehnungen genutzt, um die Innege- häuse 8a, 8b, 8c in Richtung eines nicht dargestellten Generators entlang der Hauptachse 4 zu verschieben. Entlang der Hauptachse 4 werden somit sämtliche Wärmedehnungen der Innen- gehäuse 8a, 8b, 8c aufsummiert, wodurch die Relativdehnung zu den starr miteinander verbundenen Turbinenläufern 5 verringert wird. Ein Vergleich zwischen den Dehnungslinien 25 und 26 zeigt, daß über die gesamte Länge der Turbinenanlage 1 trotzdem ein Dehnungsunterschied zwischen den Turbinenläufern 5 und dem Innengehäuse 8c der letzten Niederdruck-Teilturbine 3c vorliegt. Dieser Dehnungsunterschied bedingt ein unterschiedliches axiales Spiel zwischen den Leitschaufeln 6 sowie den Laufschaufeln 27 jeder Niederdruck-Teilturbine 3a, 3b, 3c.
Durch Verwendung eines in den Figuren 2 und 3 näher dargestellten Schubelementes 9 mit einer Verstärkung der Verschiebung eines Innengehäuses 8a, 8b, 8c einer Niederdruck-Teil- turbine 3a, 3b, 3c kann ein solcher Dehnungsunterschied deut- lieh um einen vorbestimmbaren Wert verringert werden. Ein solches Schubelement 9 ist als Ersatz für eine Kupplungsstange 9a zwischen der Mitteldruck-Teilturbine 2 und der ersten Niederdruck-Teilturbine 3a sowie zwischen jeweils benachbarten Niederdruck-Teilturbinen 3a, 3b, 3c anordenbar . Vorzugs- weise ist es zwischen den beiden letzten Niederdruck-Teilturbinen 8b, 8c angeordnet. Das Schubelement 9 weist eine im wesentlichen stangenförmige erste Dehnkomponente 10a und eine ebenfalls im wesentlichen stangenförmige Dehnkomponente 10b auf. Diese Dehnkomponenten 10a, 10b sind über eine Koppelkom- ponente 11 miteinander gelenkig verbunden. Die Koppelkomponente ist, wie FIG 3 entnehmbar, ein mechanischer Hebel, der um einen Fixpunkt 12 drehbar ist. An einer jeweiligen Verbindungsstelle 13a, 13b ist jede der Dehnkomponenten 10a, 10b durch nicht näher dargestellte Stifte drehbar mit der Dehn- komponente 11 in Richtung der Hauptachse 4 verschiebbar verbunden. Die Verbindungsstelle 13a liegt dem Fixpunkt 12 näher als die Verbindungsstelle 13b. Die Verbindungsstelle 13a liegt dabei zwischen der Verbindungsstelle 13b und dem Fixpunkt 12, so daß eine Verschiebung der Verbindungsstelle 13a in Richtung der Hauptachse 4 eine größere Verschiebung der Verbindungsstelle 13b in Richtung der Hauptachse 4 bedingt . Die Dehnkomponenten 10a, 10b durchdringen ein jeweiliges Lager 15 und sind zusammen mit einem jeweiligen Auflagerbereich 28b, 28c durch das jeweilige Außengehäuse 14 der entsprechenden Niederdruck-Teilturbine 3b, 3c geführt. Diese Durchführung erfolgt mittels einer jeweiligen Dichtung 16 gasdicht, wobei die Dichtung 16 einen in Richtung der Hauptachse 4 dehnbaren Dichtungsbalg 18 aufweist. Auf dem Auflager 28a liegt das Innengehäuse 8b auf, in das die Dehnkomponente 10a fest eingeschraubt ist. Entsprechend liegt auf dem Auflager 28b das Innengehäuse 8c auf, und die Dehnkomponente 10b ist in eine entsprechende Tragpratze 17 dieses Innengehäuses 8c fest eingeschraubt.
Je nach Lage der Verbindungsstellen 13a, 13b zu dem Fixpunkt 12 ist durch die Koppelkomponente 11 eine entsprechende Ver- Schiebungsverstärkung um einen vorgebbaren Wert einstellbar.
Die Koppelkomponente 11 realisiert somit auf konstruktiv einfache und weitgehend wartungsfreie Art und Weise eine Ver- schiebungsverstärkung ohne ein aufwendige Regelungs-, Überprüfungs- und Leitungssystem, wie es bei einer Verschiebungs- Verstärkung mittels dampfbedingter Temperaturerhöhung notwendig wäre .
Die Erfindung zeichnet sich durch ein Schubelement in einer Turbinenanlage mit mehreren Teilturbinen aus, durch das auf mechanischem und/oder hydraulischem Wege eine Verschiebungs- verstärkung erzielt wird. Vorzugsweise hat das Schubelement eine Koppelkomponente, die einen mechanischen Hebel darstellt, an den gelenkig zwei Schubstangen mit unterschiedlichem, aber auf gleicher Seite in Bezug zu einem Fixpunkt lie- genden Hebelarmen aufweist. Eine in axialer Richtung erzeugte Verschiebungsverstärkung der Verschiebung eines Innengehäuses einer Teilturbine erlaubt die Verringerung des Axialspielε zwischen den Laufschaufeln eines Turbinenläufers und den Leitschaufeln des Innengehäuses. Dies bedingt neben einer Verwendung im wesentlichen baugleicher Innengehäuεe auch die Erhöhung des Wirkungsgrades der gesamten Turbinenanlage. Vor- zugsweise ist die Turbinenanlage eine Dampfturbinenanlage mit einer Hochdruck-Teilturbine, einer Mitteldruck-Teilturbine und zwei oder mehr, insbesondere drei, Niederdruck-Teilturbinen. Selbstverständlich eignet sich ein solches Schubelement auch zur Verringerung des axialen Spiels bei einer Gasturbi- nenanlage mit mehreren Teilturbinen.

Claims

Patentansprüche
1. Turbinenanlage (1), insbesondere Dampfturbinenanlage, mit zumindest zwei Teilturbinen (2, 3a, 3b, 3c) , deren jede einen sich entlang einer Hauptachse (4) erstreckenden Turbinenläufer (5) , welche Turbinenläufer (5) starr miteinander verbunden sind, und ein die Leitschaufeln (6) aufnehmendes Innengehäuse (8a, 8b, 8c) aufweist, wobei zumindest eines der Innengehäuse (8a, 8b, 8c) in axialer Richtung verschieblich ist und für eine axiale Verschiebung dieses Innengehäuses (8a, 8b, 8c) ein sich thermisch ausdehnendes Schubelement (9) vorgesehen ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Schubelement (9) eine erste Dehnkomponente (10a) und eine zweite Dehnkomponente (10b) aufweist, die über eine Koppelkomponente (11) miteinander verbunden sind, wobei die Koppel- komponente (11) mechanisch und/oder hydraulisch eine axiale Verschiebung der zweiten Dehnkomponente (10b) größer als eine thermische Dehnung und/oder axiale Verschiebung der ersten Dehnkomponente (10a) bewirkt.
2. Turbinenanlage (1) nach Anspruch 1, wobei das Koppelelement (11) ein um einen Fixpunkt (12) drehbarer mechanischer Hebel ist, mit dem die erste Dehnkomponente (10a) und die zweite Dehnkomponente (10b) an einer jeweiligen Verbindungsstelle (13a, 13b) drehbar verbunden sind, und die zweite Verbindungsstelle (13b) von dem Fixpunkt (12) weiter beabstandet ist als die erste Verbindungsstelle (13a) .
3. Turbinenanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zumindest eine mit dem Schubelement (9) verbundene Teilturbine (3a, 3b, 3c) ein das Innengehäuse (8a, 8b, 8c) umgebendes Außengehäuse (14) aufweist, wobei das Schubelement (9) sowie ein Auflager (28a, 28b) eines das Innenge- häuse (8a, 8b) tragenden Lagers (15) gemeinsam durch eine Dichtung (16) geführt sind.
4. Turbinenanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein das Schubelement (9) umfassender axialer Dehnungsverbund und die untereinander verbundenen Turbinenläufer (5) einen gemeinsamen axialen Festpunkt (20) aufwei- sen.
5. Turbinenanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Mitteldruck-Teildampfturbine (2) und zumindest zwei Niederdruck-Teildampfturbinen (3a, 3b), die entlang der Hauptachse (4) angeordnet sind, wobei die Innengehäuse (8a, 8b) der Niederdruck-Teildampfturbinen (3a, 3b) mit dem Schubelement (9) verbunden sind.
6. Turbinenanlage (1) nach Anspruch 5, bei der die Mittel- druck-Teildampfturbine (2) ein Außengehäuse (22) hat, das über eine Schubverbindung (21) mit dem Innengehäuse (8a) der in axialer Richtung nachgeordneten Niederdruck-Teildampfturbine (3a) verbunden ist, und ein mit dem Außengehäuse (22) verbundenes Lager (15a) den axialen Festpunkt (20) für eine axiale thermische Ausdehnung bildet.
7. Schubelement (9) zur Verringerung unterschiedlicher axialer Dehnungen zwischen zwei unabhängig voneinander entlang einer Hauptachse (4) ausdehnbarer Komponenten, insbesondere Turbinenläufer (5) und Innengehäusen (7, 8a, 8b, 8c) einer Turbinenanlage, mit einer ersten Dehnkomponente (10a) , einer zweiten Dehnkomponente (10b) und einem Koppelelement (11) , wobei das Koppelelement (11) ein um einen Fixpunkt (12) drehbarer mechanischer Hebel ist, mit dem die erste Dehnkompo- nente (10a) und die zweite Dehnkomponente (10b) an einer jeweiligen Verbindungsstelle (13a, 13b) drehbar verbunden sind, und die zweite Verbindungsstelle (13b) von dem Fixpunkt (12) weiter beabstandet ist als die erste Verbindungsstelle (13a) .
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