EP0991850A1

EP0991850A1 - Turbinenwelle einer dampfturbine mit interner kühlung sowie verfahren zur kühlung einer turbinenwelle

Info

Publication number: EP0991850A1
Application number: EP98936164A
Authority: EP
Inventors: Andreas FELDMÜLLER; Ralf Kuhn; Stefan Sasse; Andreas Ulma
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-06-27
Filing date: 1998-06-15
Publication date: 2000-04-12
Anticipated expiration: 2018-06-15
Also published as: JP4162724B2; DE59803075D1; ATE213305T1; ES2172905T3; CN1143945C; US6227799B1; JP2002508044A; WO1999000583A1; CN1261420A; EP0991850B1; PT991850E

Description

Beschreibung

Turbinenwelle einer Dampfturbine mit interner Kühlung sowie Verfahren zur Kühlung einer Turbinenwelle

Die Erfindung betrifft eine Turbinenwelle einer Dampfturbine, insbesondere zur Aufnahme der Hochdruck- und Mitteldruck-Beschaufelung, sowie ein Verfahren zur Kühlung der Turbinenwelle einer Dampfturbine.

Zur Steigerung des Wirkungsgrades einer Dampfturbine trägt die Verwendung von Dampf mit höheren Drücken und Temperaturen bei. Die Verwendung eines solchen Dampfes stellt erhöhte Anforderungen an die entsprechende Dampfturbine. Bei einer Dampfturbine in einem Leistungsbereich von einigen 100 MW eignet sich eine einsträngige Dampfturbine mit Hochdruck- und Mitteldruckteilturbine sowie nachgeschalteter Niederdruckteilturbine. Von der gegebenenfalls aus mehreren Segmenten zusammengesetzten Turbinenwelle werden sowohl die Hochdruck- Laufschaufeln als auch die Mitteldruck-Laufschaufeln aufgenommen. Jede Teilturbine kann ein Innengehäuse und ein Außengehäuse aufweisen, welche jeweils z.B. horizontal geteilt und miteinander verschraubt sind. Der durch den Hochdruck-Dampf gekennzeichnete Frischdampfzustand kann bei etwa 170 bar und 540 °C liegen. Im Zuge der Steigerung des Wirkungsgrades kann ein Frischdampfzustand bis 270 bar und 600 °C angestrebt werden. Der Hochdruck-Dampf wird der Turbinenwelle zugeführt und durchströmt die Hochdruck-Beschaufelung bis zu einem Austrittsstutzen. Der hierbei entspannte und abgekühlte Dampf kann einem Kessel zugeführt und dort erneut aufgeheizt werden. Der Dampfzustand am Ende der Hochdruck-Teilturbine wird im folgenden als "kalte Zwischenüberhitzung" und der Dampfzustand nach Verlassen des Kessels als "heiße Zwischenüberhitzung" bezeichnet. Der aus dem Kessel austretende Dampf wird der Mitteldruck-Beschaufelung zugeführt. Der Dampfzustand kann bei 30 bar bis 50 bar und 540 °C liegen, wobei eine Steigerung auf einen Dampfzustand von etwa 50 bar bis 60 bar und 600 °C angestrebt wird. In einem Dampfeinströmbereich, insbesondere der Mitteldruck-Teilturbine, können konstruktive Maßnahmen durchgeführt sein, bei denen über eine Wellenabschirmung die Turbinenwelle vor einem unmittelbaren Kontakt mit dem Dampf geschützt ist.

In der DE 19531290 AI ist ein Rotor für thermische Turbomaschinen, bestehend aus einem auf einer Welle angeordneten Verdichterteil, einem Mittelteil und einem Turbinenteil, an- gegeben. Der Rotor ist vorwiegend aus einzelnen miteinander verschweißten Rotationskörpern zusammengebaut, deren geometrische Form zur Ausbildung von axialsymmetrischen Hohlräumen zwischen den jeweils benachbarten Rotationskörper führt. Der Rotor weist einen axialgerichteten, sich vom einströmseitigen Ende des Rotors bis zum stromaufwärts letzten Hohlraum reichenden zylinderförmigen Hohlraum, auf. In diesem zylindrischen Hohlraum sind zumindest zwei Rohre mit voneinander verschiedenen Durchmessern und Längen platziert. Hierdurch soll der Rotor der Turbomaschine innerhalb kürzester Zeit auf sei- nen Betriebszustand bringbar und leicht thermisch regulierbar sein, d.h. je nach Anforderung mit relativ wenig Aufwand heiz- oder kühlbar sein.

Die US-PS 5,054,996 betrifft einen Gasturbinenrotor aus mit einem axialen Zuganker miteinander verbundenen Rotorscheiben. Durch den Gasturbinenrotor wird Luft geleitet, wodurch der Rotor und die Rotorscheiben im wesentlichen gleichmäßig heizbar und kühlbar sind.

In dem Patent Abstract of Japan N-303, June 20, 1984, Vol. 8, No . 132 zur japanischen Patentanmeldung JP-A-59-34402 ist eine Turbinenwelle für eine Dampfturbine beschrieben. Diese Turbinenwelle einer einzigen Dampfturbine weist in ihrem Inneren eine axiale Bohrung auf, in die mittig Kühlfluid einge- leitet wird, welches beidseitig an den Enden der Bohrung wieder hinausströmt. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Turbinenwelle einer Dampfturbine anzugeben, die insbesondere lokal auftretenden hohen betrieblichen Temperaturbelastungen langzeitstabil standhält. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Kühlung einer Turbinenwelle einer Dampfturbine anzugeben.

Erfindungsgemäß wird die auf eine Turbinenwelle einer Dampfturbine gerichtete Aufgabe dadurch gelöst, daß die Turbinenwelle entlang der Rotationsachse gerichtet ist und einen er- sten Beschaufelungsbereich einer ersten Teilturbine, einen zweiten Beschaufelungsbereich einer zweiten Teilturbine sowie dazwischen ein Lagerungsbereich, eine Manteloberfläche und im Inneren eine Kühlleitung zur Führung von Kühldampf in Richtung der Rotationsachse aufweist, wobei die Kühlleitung ei- nerseits mit zumindest einer Abströmleitung zur Abführung von Kühldampf und andererseits mit zumindest einer Zuströmleitung zur Zuströmung von Kühldampf verbunden ist.

Durch eine im Inneren der Turbinenwelle verlaufende Kühllei- tung ist Kühldampf in Richtung der Rotationsachse durch die Turbinenwelle hindurchführbar und durch die Abströmleitung leitbar. Hierdurch ist sowohl ein stark temperaturbelasteter Bereich der Turbinenwelle, insbesondere der Dampfeinströmbe- reich, von innen heraus sowie an der Manteloberfläche und im Bereich von Befestigungen von Laufschaufeln kühlbar. Die Kühlleitung kann gegenüber der Rotationsachse geneigt oder gegenüber dieser gewunden verlaufen, wobei sie einen Transport von Kühldampf in Richtung der Rotationsachse ermöglicht. Weiterhin ist auch eine Kühlung der in der Turbinenwelle ver- ankerbaren Laufschaufeln, insbesondere deren Schaufelfüße, durchführbar. Es versteht sich, daß je nach Herstellung der Kühlleitung die Abströmleitung und die Zuströmleitung einen Teil der Kühlleitung darstellen können. Weiterhin versteht es sich, daß mehr als eine Kühlleitung vorgesehen sein kann, wo- bei mehrere Kühlleitungen untereinander in Verbindung stehen und jeweils mit einer oder mehreren Abströmleitungen bzw. Zuströmleitungen verbunden sein können. Es ist ebenfalls mög- lieh, in Richtung der Rotationsachse benachbarte Abströmleitungen in vorgebbaren Abständen anzuordnen und mit der Kühl^¬ leitung zu verbinden. Eine Kühlung stark temperaturbelasteter Wellenabschnitte kann somit ohne erheblichen Aufwand an Rohr- leitungen, Gehäuse-Durchführungen und einer Einbindung in die Turbinenregelung erfolgen. Ein solch hoher konstruktiver Aufwand wäre beispielsweise bei einer Kühlung einer Turbinenwelle mittels kaltem Dampf von außen durch das Gehäuse und die Leitschaufeln hindurch bis zur Turbinenwelle erforder- lieh, um die Manteloberfläche der Turbinenwelle direkt zu kühlen.

Vorzugsweise eignet sich die Turbinenwelle für eine einsträn- gige Dampfturbine mit einer Hochdruck- und einer Mitteldruck- Teilturbine. Die Turbinenwelle kann hierbei aus zwei im Lagerbereich miteinander verbundenen Turbinensegmenten bestehen, wobei jedes Turbinenwellensegment eine Kühlleitung aufweist, und die Kühlleitungen in dem Lagerbereich ineinander übergehen. Jedes Turbinenwellensegment oder die ganze Turbi- nenwelle kann hierbei aus einem jeweiligen Schmiedestück hergestellt sein. Es ist hierdurch möglich, den stark tempera- turbelasteten Dampfeinströmbereich der Mitteldruck-Teilturbine, welche insbesondere zweiflutig ausgeführt ist, mit Dampf aus der Hochdruck-Teilturbine zu kühlen. Da im Ver- gleich zum Hochdruck-Teil im Mitteldruck-Teil infolge niedrigerer Dampfdrücke deutlich höhere Volumenströme und damit größere Wellendurchmesser und längere Schaufeln erforderlich sind, ist die thermomechanische Beanspruchung der Laufschaufelfüße und der Turbinenwelle im Mitteldruck-Teil größer als im Hochdruck-Teil. Da zudem im Hochdruck- und Mitteldruck- Teil jeweils ähnliche Temperaturen herrschen, sind die Werkstoffkennwerte der Turbinenwelle, wie beispielsweise Zeitstandfestigkeit und Kerbschlagzähigkeit, ebenfalls ähnlich, wodurch aufgrund der höheren ther omechanischen Belastung des Mitteldruck-Teils dieser als kritischer als der Hochdruck- Teil zu bewerten ist. Diese Problematik ist vorzugsweise gelöst, indem die Turbinenwelle im Mitteldruck-Teil sowohl in ihrem Inneren, besonders der Wellenmitte, als auch an ihrer Manteloberfläche, insbesondere im Bereich der Laufschaufel- füße, durch Kühldampf kühlbar ist. Vorzugsweise wird aus der Hochdruck-Teilturbine Dampf aus dem Abdampfbereich oder zwi- sehen zwei Stufen durch radiale Bohrung in das Innere der

Welle geleitet. Dieser Kühldampf strömt aufgrund des Druckgefälles durch die hohlgebohrte Hochdruck- und Mitteldruckwelle in die Mitteldruck-Teilturbine. Insbesondere bei einer zwei- flutigen Ausführung der Mitteldruck-Teilturbine tritt Dampf vorzugsweise unter einer Abdeckplatte der Turbinenwelle

(Wellenabschirmung) des Dampfeinströmbereichs der Mitteldruck-Teilturbine aus der Turbinenwelle aus und führt aufgrund von Filmkühlungseffekten zu einer Absenkung der Temperatur der Turbinenwelle im Dampfeinströmbereich und im Be- reich der ersten Turbinenstufen. Je nach Anwendungsfall kann der Kühldampf auch zwischen zwei axial voneinander beabstan- deten Turbinenstufen ausströmen oder zur Kühlung von Laufschaufeln, die insbesondere zumindest bereichsweise hohl ausgeführt sind, verwendet werden. Der Druckunterschied zwischen dem Dampfaustrittsbereich der Hochdruck-Teilturbine und dem Dampfeintrittsbereich der Mitteldruck-Teilturbine kann beispielsweise zwischen 4 bar und 6 bar betragen. Durch eine entsprechende Bemessung des Querschnittes der Kühlleitung ist die DampfStrömung so regulierbar, daß auch über einen weiten Leitungsbereich der Dampfturbine eine ausreichende Kühlleistung gewährleistet ist.

In dem Lagerungsbereich, in dem die Turbinenwelle auf ein Lager auflagerbar ist, ist vorzugsweise eine Wärmeisolierung zur Verhinderung eines radialen Wärmeflusses vorgesehen.

Durch eine Herabsetzung des Wärmeübergangs vom Kühldampf zu dem Werkstoff der Turbinenwelle wird eine übermäßige Aufheizung des Lagers vermieden. Vorzugsweise ist hierbei ein Zwischenraum zwischen der Kühlleitung und dem Turbinenwellen- Werkstoff vorgesehen, welcher als Ringspalt ausgeführt sein kann. In diesem Zwischenraum ist ein Fluid, vorzugsweise Kühldampf, vorhanden, welches zu einer Isolierung und damit co o IV) IV) P> P¹

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Claims

Patentansprüche

1. Turbinenwelle (1) für eine Dampfturbine, welche entlang einer Rotationsachse (2) gerichtet ist, entlang der Rotati- onsaehse (2) einen ersten Beschaufelungsbereich (30) einer ersten Teilturbine (24), einen zweiten Beschaufelungsbereich (31) einer zweiten Teilturbine (25) und dazwischen einen Lagerungsbereich (32) , eine Manteloberfläche (3) und in ihrem Inneren (4) eine Kühlleitung (5) zur Führung von Kühldampf (6) in Richtung der Rotationsachse (2) aufweist, wobei die

Kühlleitung (5) einerseits mit zumindest einer Abströmleitung (7) zur Abführung von Kühldampf (6) und andererseits mit zumindest einer Zuströmleitung (8) zur Zuströmung von Kühldampf (6) verbunden ist.

2. Turbinenwelle (1) nach Anspruch 1, bei der die Kühlleitung (5) in dem Lagerungsbereich (32) eine Wärmeisolierung (33) zur Verminderung eines radialen Wärmeflusses aufweist.

3. Turbinenwelle (1) nach Anspruch 2, bei der die Wärmeisolierung (33) einen Hohlraum (34), insbesondere einen Ringspalt (34), zwischen Kühlleitung (5) und Turbinenwellenwerk- stoff (35) aufweist.

4. Turbinenwelle (1) nach Anspruch 3, bei der die Wärmeisolierung (33) ein Isolierungsrohr (36) umfaßt.

5. Turbinenwelle (1) nach Anspruch 4, bei der das Isolierungsrohr (36) zumindest eine Öffnung (37) zum Hohlraum (34) aufweist.

6. Turbinenwelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche der Aufnahme von Hochdruck-Laufschaufeln (13) sowie von Mitteldruck-Laufschaufeln (14) einer kombinierten Hoch- druck-Mitteldruek-Dampfturbine dient, wobei die Abströmleitung (7) in einem Dampfeinströmbereich (15) der Mitteldruck- Laufschaufeln (14) mündet.

7. Turbinenwelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der zweite Beschaufelungsbereich (31) zweiflutig ausgeführt ist.

8. Turbinenwelle (1) nach Anspruch 6 in einer Dampfturbine, wobei der zweite Beschaufelungsbereich (31) einflutig ausgeführt ist.

9. Turbinenwelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der sich die Zuströmleitung (8) von der Manteloberfläche

(3) zur Kühlleitung (5) erstreckt.

10. Turbinenwelle (1) nach Anspruch 9, wobei die Zuströmleitung (8) in einem Dampfaustrittsbereich (15) des ersten Be- sehaufelungsbereiehes (30) und/oder im ersten Beschaufelungsbereich (30) zwischen zwei axial beabstandeten Ausnehmungen (10) zur Aufnahme von Turbinenlaufschaufeln (11) mündet.

11. Turbinenwelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, bei der die Kühlleitung (5) eine weitgehend zur Rotationsachse (2) parallele, insbesondere zentrale, Bohrung (5) ist .

12. Turbinenwelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, bei der die Zuströmleitung (8) und/oder die Abströmleitung (7) eine im wesentlichen radiale Bohrung (8a, 7a) sind bzw. ist.

13. Turbinenwelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, die im zweiten Beschaufelungsbereich (31) Ausnehmungen

(10) zur Aufnahme von Turbinenlaufschaufeln (11) aufweist, wobei die Abströmleitung (8) an der Manteloberfläche (3) zwischen zwei axial beabstandeten Ausnehmungen (10) oder in einer Ausnehmung (10) mündet und/oder mit einer Schaufelkühl- leitung (38) einer Turbinenlaufschaufel (11) verbunden ist.

14. Turbinenwelle (1) nach Anspruch 13, bei der die eine Abströmleitung (8) aufweisende Ausnehmung (10) zusätzlich über eine Stichleitung (12) mit der Manteloberfläche (3) verbunden ist .

15. Verfahren zur Kühlung einer Turbinenwelle (1) in einer Dampfturbine, wobei die Turbinenwelle (1) in einem ersten Beschaufelungsbereich (30) die Hochdruck-Laufsehaufein (13) der Hochdruck-Teilturbine (24) und in einem zweiflutigen zweiten Beschaufelungsbereieh (31) die Mitteldruck-Laufsehaufein (14) der Mitteldruck-Teilturbine (25) trägt und Dampf (6) aus dem Dampfbereich (17) des ersten Beschaufelungsbereichs (30) durch das Innere (4) der Turbinenwelle (1) über einen Lagerungsbereich (32) hinweg zum zweiten Beschaufelungsbereieh (31) geführt wird.