EP1034357A1 - Dampfturbogenerator mit wassergeschmierten lagern und ventilen - Google Patents

Dampfturbogenerator mit wassergeschmierten lagern und ventilen

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EP1034357A1
EP1034357A1 EP98966767A EP98966767A EP1034357A1 EP 1034357 A1 EP1034357 A1 EP 1034357A1 EP 98966767 A EP98966767 A EP 98966767A EP 98966767 A EP98966767 A EP 98966767A EP 1034357 A1 EP1034357 A1 EP 1034357A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
steam turbine
shaft
water
steam
unit
Prior art date
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Application number
EP98966767A
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English (en)
French (fr)
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EP1034357B1 (de
Inventor
Rudolf Thiele
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1034357A1 publication Critical patent/EP1034357A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1034357B1 publication Critical patent/EP1034357B1/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
    • F01D25/18—Lubricating arrangements
    • F01D25/22—Lubricating arrangements using working-fluid or other gaseous fluid as lubricant
    • 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
    • F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
    • F01D15/10—Adaptations for driving, or combinations with, electric generators

Definitions

  • the invention relates to a steam turbine set with a steam turbine unit and a work machine unit connected thereto for generating electrical current.
  • a steam turbine set has an 01 circuit that essentially fulfills three tasks: First, the oil serves as a lubricant and coolant for the bearings of the steam turbine and generator. Second, the control valves of the steam turbine are operated via oil-hydraulic actuating cylinders. Thirdly, the oil is used to cool and lubricate the gearbox. The resulting heat loss is given off to the oil circuit and dissipated to an oil / water heat exchanger. Overall, relatively large amounts of oil are required to accomplish these three tasks.
  • the ratio of lubricating oil: control oil: gear oil is approximately 1: 6: 2.
  • the oil tightness in the oil circuit can be significantly reduced if oil-hydraulic actuating cylinders are dispensed with and a switch is made to another medium (which then requires its own circuit) or to other drive principles for the control valves (e.g. linear actuators, which may also require cooling) .
  • this does not prevent contaminants from escaping bearing oil from the turbine or oil escaping into the environment in the steam outlet.
  • This requires a high level of technological effort, as is the case with numerous patent applications (e.g. EP 0 306 634, WO 94/01713 and DE 19606088.5) are impressive.
  • the object of the invention is to avoid such difficulties caused by the lubricant and / or coolant in a steam turbine set with a steam turbine and a working machine.
  • the invention initially assumes that water-hydraulic actuating cylinders of the valves controlling or regulating the steam supply or other oil-free actuators of these valves avoid the dangers and difficulties posed by oil.
  • the invention provides for using linear motors as actuators for the valves.
  • Water-cooled bearings are readily suitable for the working machine unit, provided the quantities of water required for lubrication and cooling are fed into the bearings with sufficient pressure.
  • the invention also assumes that a gearbox is only required if a reduction or translation of the rotational speed takes place on the shaft driven by the steam turbine. If, however, it becomes possible to operate the steam turbine and driven machine at the same speed, a gearbox can be dispensed with and the problems associated with cooling the gearbox do not arise.
  • Solution between the generator speed i.e. the speed of the high-speed steam turbine
  • a gearbox is also not necessary if these corresponding machines are designed for the high speed of the steam turbine.
  • the steam turbine of the steam turbine unit and the generator of the work machine unit can therefore be connected to one another via a coupling or via flanges.
  • the invention is based on the fact that water can be used as a lubricant and coolant in the steam turbine unit and then the fire risk associated with the use of oil and the risk of environmental damage due to leakages are avoided. Oil and the like can therefore practically be dispensed with in the entire turbo set. Media of a different type will not penetrate into the exhaust steam flow of the turbine if the bearing is in an axial outflow and that
  • Water for lubrication or cooling is taken from the water cycle of the steam power plant.
  • a steam turbine set is provided with a steam turbine unit and a work machine unit comprising a generator, the units being connected to one another without a transmission.
  • a shaft part driven by a steam turbine and a shaft part driving the generator are thus coupled as part shafts in the area between the units to form a common shaft, for example by a flange, or form a rigid (eg one-piece) shaft, in which case the two bearings between the steam turbine and the driven machine can be replaced by a single bearing.
  • An oil-free circuit namely a water circuit, is used to lubricate and cool the shaft bearings in the turbine unit. Only oil-free bearings are used for the bearing of this shaft in the working machine unit.
  • the generator is provided for generating electrical current of a desired frequency, for which purpose a frequency converter is connected downstream.
  • a linear drive or a similar, in any case oil-free drive unit (in particular combined with an electrical or electronic control) can be used to actuate the control valves of the steam turbine.
  • the steam turbine unit can be designed differently and e.g. comprise one or more steam turbines which have steam discharge upwards or downwards (generally: in the lateral direction) or in the axial direction.
  • An axial outflow is usually with a level installation of
  • turbo set preferably contains only oil-free components, since stationary parts (e.g. the frequency converter) can also be cooled by other media (e.g. air or water).
  • stationary parts e.g. the frequency converter
  • other media e.g. air or water
  • one (or more) water circuit is provided, from which water supply channels lead to the individual bearings. It is also possible that several shaft parts and / or shaft bearings are provided in the steam turbine unit and are supplied by a common water circuit. By water drainage channels, the water used as coolant and lubricant is advantageously returned from the shaft bearings to the water cycle.
  • the cooling systems of a generator unit or another work machine unit and also preferably the same time
  • Steam supply to the steam turbine unit can be operated.
  • Linear drives for actuating the control valves of the steam turbine can also be supplied by the water circuit if cooling is required. This makes it possible for a single water circuit to take over the entire heat loss of a turbo set.
  • the heat energy introduced into the circulating water is preferably extracted by a heat exchanger. This heat exchanger is operated by an open water circuit, but can also be an air-cooled heat exchanger.
  • the required circuit water can also be used in the steam / water circuit of the power plant. be taken from the factory.
  • the circuit water is advantageously treated at the same time. Any wear particles or other impurities that arise, for example, from the shaft bearing are filtered out.
  • FIG. 1 shows an oil-free steam turbine set with water as a lubrication and cooling medium with a lateral (namely downward) steam outflow.
  • FIG. 2 shows an oil-free steam turbine set with water as a lubricant and cooling medium with axial steam outflow.
  • a steam turbine set is shown schematically, which bears the overall reference number 1 and contains a steam turbine unit 2 and a generator unit 3 as other work machine unit.
  • the units 2 and 3 are connected to each other by a shaft 4.
  • This shaft consists of several shaft parts (two part shafts 41, 42) which rotate at the same speed.
  • the partial shaft 41 leads through the steam turbine unit 2.
  • the rotor blades 211 of the turbine are attached to this partial shaft 41, of which only two are shown in the drawing for better clarity.
  • the guide vanes 212 of which only two pieces are also shown for better clarity.
  • the partial shaft 42 passes through the generator 30.
  • the two partial shafts 41 and 42 of shaft 4 are connected to one another by flanges 43.
  • the current generated by the generator 30 is fed via lines 51 to a frequency converter 5.
  • This frequency converter 5 converts the output frequency of the generator current, which is determined by the speed and the number of poles of the shaft 4, into a frequency which corresponds to the required network frequency of the power network to be fed.
  • the supply of the current to the power grid takes place through the lines 52.
  • the steam driving the turbine 20 is supplied by the steam supply 22.
  • the steam supply is regulated by control valves 221, which in turn are operated by one or more linear drives 222 and electrical regulators 223.
  • the outflow of the turbine steam takes place in this exemplary embodiment via a downward steam outflow 23.
  • a lateral downward steam outflow there is an axial outflow (cf.
  • the shaft 4 is supported by shaft bearings 6. These are designed as plain bearings. Water serves as lubricant and coolant for these shaft bearings 6, which is provided by a water supply 70 and a water return 71. The water circuit is kept in motion by a pump 80.
  • the circulation water which acts as a cooling and lubricating medium, is supplied to the shaft bearings 6 by water supply channels 72 coming from the water circuit 71. In the shaft bearing 6, the circuit water acts as Coolant and lubricant. The thermal energy generated by sliding friction in the bearing is thus removed from the circulating water.
  • the circulating water is fed from the shaft bearings 6 to the water return 70 via water discharge channels 73.
  • the circuit water of the water circuit (70, 71) can advantageously take over the cooling of further components of the turboset.
  • the circulating water is also used to cool the generator 30.
  • the circulation water is fed into the cooling system 33 of the generator 30 via a water supply channel 74 and from there is fed to the water return 70 via a water discharge channel 75.
  • the linear drives 222 are cooled, if necessary, by supplying circulating water to them via a water supply channel 76 and supplying them to the water return 71 via a water discharge channel 77.
  • the cooling of the frequency converter 5 is effected in the same advantageous manner.
  • Its cooling system (not shown) is supplied with circulating water via a water supply channel 78 and the water return 71 is returned via a water discharge channel 79.
  • the circuit water (70, 71) is cooled by a heat exchanger 8 by releasing the thermal energy of the circuit water to an open exchanger water circuit 81.
  • the circuit water can also be cooled by an air-cooled heat exchanger 9.
  • FIG. 2 shows an oil-free steam turbine set with water as a lubricating and cooling medium with axial steam flow.
  • Components that correspond to the embodiment of Figure 1 have the same reference numerals.
  • the steam turbine set as such again bears the reference number 1.
  • the steam turbine unit 2 is connected to the generator unit 3 by a shaft 4 (namely the two partial shafts 41 and 42).
  • the partial shafts 41 and 42 are coupled directly to one another via flanges 43.
  • the partial shaft 42 carries an armature 31 in the generator 30.
  • the stator 32 which is also contained in the generator 30, is adjacent to it.
  • the electrical current generated by the generator 30 is fed via lines 51 to a frequency converter 5, which after frequency conversion transforms the electrical current via lines 52 into feeds an electrical network.
  • the partial shaft 41 has blades 211 within the turbine 20.
  • Guide vanes 212 are located on the static part of the steam turbine 20 within spaces between the rotor blades 211.
  • the steam turbine 20 in this exemplary embodiment has a steam outflow device 23 ′, by means of which an axial steam outflow is effected.
  • a steam outflow device 23 ′ by means of which an axial steam outflow is effected.
  • Such an axial steam outflow is required, in particular, when steam turbines with a generator are installed on a level surface (eg also in a line with a gas turbine).
  • the generator 30 is then coupled to the side of the steam inflow 22 of the steam turbine 20.
  • the steam outflow device 23 ' is usually followed by a condenser (not shown here) or a counterpressure nozzle (also not shown).
  • a steam turbine with axial outflow requires a shaft bearing in the steam flow.
  • the bearings 6 are supplied with circulating water through water supply ducts 72.
  • the circulating water enters the water return 71 through water discharge ducts 73.

Description

DAMPFTURBOGENERATOR MIT WASSERGESCHMIERTEN LAGERN UND VENTILEN
Die Erfindung betrifft einen Dampfturbosatz mit einer Dampfturbineneinheit und einer daran angeschlossenen Arbeitsmaschineneinheit zur Erzeugung elektrischen Stroms.
Turbosätze werden meistens eingesetzt, um ein elektrisches
Netz, dessen Frequenz 50 Hz (oder 60 Hz) beträgt, zu speisen. Bei hohen Leistungen (etwa 30 MVA und darüber) ist es wirtschaftlich, die Dampfturbine bei Verwendung von zweipoligen Generatoren mit Drehzahlen von 3000 (bzw. 3600) Umdrehungen pro Minute zu betreiben. Für kleinere Leistungen sind jedoch höhere Drehzahlen >3.000 bis 16.000 Umdrehungen pro Minute für die Turbine - je nach Leistung - wirtschaftlicher. Dabei ist eine Untersetzung zwischen der schnell rotierenden Dampfturbine und dem entsprechend der gewünschten Frequenz des Stromes rotierenden Generator mittels eines Getriebes erforderlich.
Dabei treten besondere Probleme mit der Schmierung und der Kühlung der Lager und Getriebe auf.
Im Getriebe erfordert nicht nur die Lagerung der Getriebe- Wellen eine besondere Schmierung, vielmehr müssen insbesondere auch die stark belasteten Getriebezähne der ineinander greifenden Zahnflanken sorgfältig geschmiert und gekühlt wer- den. Die hohen Drehzahlen und Belastungen erfordern jeweils ein ausgewähltes Kühl- und Schmiermittel, wofür bisher praktisch nur Öle zur Verfügung stehen.
Herkömmlicherweise verfügt ein Dampfturbosatz über einen 01- kreislauf, der im wesentlichen drei Aufgaben erfüllt: Zum ersten dient das Öl als Schmier- und Kühlmittel für die Lager von Dampfturbine und Generator. Zum zweiten werden die Regelventile der Dampfturbine über ölhydraulische Stellzylin- der betrieben. Zum dritten dient das Öl der Kühlung und Schmierung des Getriebes. Die jeweils anfallende Verlustwärme wird an den Ölkreislauf abgegeben und an einen Öl/Wasserwärmeaustauscher abgeführt. Insgesamt sind zur Erfüllung dieser drei Aufgaben relativ große Ölmengen erforderlich. Dabei beträgt das Verhältnis von Schmieröl : Steueröl : Getriebeöl etwa 1:6:2.
Diese Ölmengen können zu mehreren Problemen führen. Im Falle von Leckagen im Ölkreislauf ist eine Umweltbeeinträchtigung durch austretendes Öl zu befürchten. Dies erfordert Vorsorge- maßnahmen wie z.B. Ölauffangwannen bzw. Abmauerungen für die Ölbehälter. Darüber hinaus stellt austretendes Öl eine ernstzunehmende Brandgefahr dar. Bei Berührung mit bis zu 500°C heißen Teilen der Turbine ist eine hohe Entzündungswahrscheinlichkeit gegeben. Alternativ verwendbare schwer entflammbare Flüssigkeiten sind zumeist toxisch. Aufwendige und teuere Maßnahmen sind für die Lagerung der Dampfturbinen- welle insbesondere bei Dampfturbosätzen mit axialer Dampfab- strömung erforderlich, damit kein Öl in den Abdampfstrom der Turbine gelangt. Hierdurch würde der Dampfkreislauf durch ein artfremdes Medium verschmutzt, das zu vielseitigen Störungen führen kann.
Zwar kann die Öl enge im Ölkreislauf erheblich reduziert werden, wenn auf ölhydraulische Stellzylinder verzichtet und zu einem anderen Medium (das dann einen eigenen Kreislauf benötigt) oder anderen Antriebsprinzipien für die Stellventile (z.B. linear Antriebe, die unter Umständen ebenfalls eine Kühlung benötigen) übergegangen wird. Dies vermeidet aber nicht, daß in der Dampfabführung Verunreinigungen durch aus- tretendes Lageröl der Turbine auftreten oder Öl in die Umgebung austritt. Hierzu ist ein hoher technologischer Aufwand nötig, wie aus zahlreichen Patentanmeldungen (z.B. EP 0 306 634, WO 94/01713 und DE 19606088.5) eindrucksvoll hervorgeht. Dieses Problem kann durch magnetisch gelagerte Wellen (z.B. DE-PS 42 27 280 oder DE 31 46 354 C2) oder durch andere Magnetlager mit permanent magnetischen und/oder supra- leitenden Elementen (DE-A-44 44 587) gelöst werden, die allerdings ebenfalls einen Aufwand bedeuten. Für die Getriebe jedoch ist noch kein erfolgversprechender, ohne Kühlmittel arbeitender Ersatz bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Dampfturbosatz mit einer Dampfturbine und einer Arbeitsmaschine solche durch das Schmier- und/oder Kühlmittel hervorgerufenen Schwierigkeiten zu vermeiden.
Die Erfindung geht dabei zunächst davon aus, daß wasser-hy- draulisch Stellzylinder der die Dampfzufuhr steuernden oder regelnden Ventile oder andere, ölfrei arbeitende Stellglieder dieser Ventile die von Öl ausgehenden Gefahren und Schwierigkeiten vermeiden. Das Gleiche gilt für eine ölfreie Lagerung der Generatoren bzw. der in einer Antriebsmaschineneinheit vorhandenen Aggregate (Generatoren, Pumpen, Kompressoren etc.). Insbesondere sieht die Erfindung vor, Linearmotoren als Stellantriebe der Ventile zu verwenden. Für die Arbeitsmaschineneinheit sind wassergekühlte Lager ohne weiteres ge- eignet, sofern die für die Schmierung und Kühlung erforderliche Mengen an Wasser mit ausreichendem Druck in die Lager eingespeist werden.
Die Erfindung geht außerdem davon aus, daß ein Getriebe nur erforderlich ist, wenn an der von der Dampfturbine angetriebenen Welle eine Untersetzung oder Übersetzung der Drehzahl erfolgt. Wenn es aber möglich wird, Dampfturbine und Arbeitsmaschine mit der gleichen Drehzahl zu betreiben, so kann ein Getriebe entfallen und die mit der Kühlung des Getriebes ver- bundenen Probleme treten nicht auf. Um die Einspeisung von Strom einer vorgegebenen Frequenz in ein elektrisches Netz oder einen Verbraucher zu gewährleisten, erfolgt die Anpas- sung zwischen der Generatordrehzahl (also der Drehzahl der hochtourigen Dampfturbine) an die niedrigere Frequenz des elektrischen Stromes oder des Netzes durch einen an den Generator angeschlossenen Frequenzumformer. Enthält die Arbeits- maschineneinheit Pumpen, Kompressoren oder andere Maschinen, so ist ein Getriebe ebenfalls nicht erforderlich, wenn diese entsprechenden Maschinen auf die hohe Drehzahl der Dampfturbine ausgelegt werden. Insbesondere kann also die Dampfturbine der Dampfturbineneinheit und der Generator der Arbeits- maschineneinheit über eine Kupplung oder über Flansche miteinander verbunden sein.
Schließlich geht die Erfindung davon aus, daß in der Dampfturbineneinheit Wasser als Schmier- und Kühlmittel verwendbar ist und dann die mit dem Einsatz von Öl verbundene Brandgefahr und die Gefahr von Umweltschäden durch Leckagen vermieden werden. Im gesamten Turbosatz kann daher auf Öl und dergleichen praktisch verzichtet werden. Artfremde Medien dringen dann auch nicht in den Abdampfstrom der Turbine, wenn die Lagerung sich in einer axialen Abströmung befindet und das
Wasser zum Schmieren bzw. Kühlung aus dem Wasserkreislauf des Dampfkraftwerkes entnommen wird.
Diese Aufgabe wird daher erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder durch einen Dampfturbosatz mit den Merkmalen des Anspruchs 4. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist ein Dampfturbosatz mit einer Dampfturbi- neneinheit und einer einen Generator umfassenden Arbeitsmaschineneinheit vorgesehen, wobei die Einheiten ohne ein Getriebe miteinander verbunden sind. Ein von einer Dampfturbine angetriebenes Wellenteil und ein den Generator antreibendes Wellenteil sind also als Teilwellen im Bereich zwischen den Einheiten zur Bildung einer gemeinsamen Welle z.B. durch einen Flansch unmittelbar aneinander gekoppelt oder bilden eine starre (z.B. einstückige) Welle, wobei dann die beiden Lager zwischen Dampfturbine und Arbeitsmaschine durch ein einziges Lager ersetzt werden können.
Zur Schmierung und Kühlung der Wellenlager in der Turbinen- einheit wird ein ölfreier Kreislauf, nämlich ein Wasserkreislauf verwendet. Auch für die Lagerung dieser Welle in der Arbeitsmaschineneinheit sind nur ölfreie Lager verwendet. Dabei ist der Generator zur Erzeugung elektrischen Stroms einer gewünschten Frequenz vorgesehen, wofür dem Generator ein Fre- quenzumformer nachgeschaltet ist. Zur Betätigung der Stellventile der Dampfturbine kann insbesondere ein Linearantrieb oder eine ähnliche, jedenfalls ölfrei arbeitende Antriebsein- heit (insbesondere kombiniert mit einer elektrischen bzw. elektronischen Regelung) verwendet werden.
Die Dampfturbineneinheit kann unterschiedlich ausgebildet sein und z.B. eine oder mehrere Dampfturbinen umfassen, die eine Dampfabführung nach oben oder unten (allgemein: in seitlicher Richtung) oder in axialer Richtung besitzen. Eine axiale Abströmung wird zumeist bei ebener Aufstellung von
Dampfturbinen mit einem Generator (z.B. auch in einem Strang mit einer Gasturbine) verlangt. Hierbei wird der Generator dann an der Seite der Dampfeinströmung angekuppelt.
Mithin kann also Öl oder ein anderes Schmiermittel in dem gesamten Dampfturbosatz durch Wasser ersetzt werden. Der Turbosatz enthält bevorzugt nur ölfrei betriebene Komponenten, da auch die Kühlung stationärer Teile (z.B. des Frequenzumformers) durch andere Medien (z.B. Luft oder Wasser) möglich ist.
Für die Kühlung und Schmierung der Wellenlager ist insbesondere ein (oder mehrere) Wasserkreislauf vorgesehen, von dem zu den einzelnen Lagern Wasserzufuhrkanäle abgehen. Es ist auch möglich, daß mehrere Wellenteile und/oder Wellenlager in der Dampfturbineneinheit vorgesehen sind und durch einen gemeinsamen Wasserkreislauf versorgt werden. Durch Wasserab- fuhrkanäle wird das als Kühl- und Schmiermittel verwendete Wasser von den Wellenlagern vorteilhaft an den Wasserkreislauf zurückgeführt. Mit diesem Wasserkreislauf können gleichzeitig vorzugsweise die Kühlsysteme einer Generatoreinheit oder einer sonstigen Arbeitsmaschineneinheit und auch die
DampfZuführung zur Dampfturbineneinheit bedient werden. Dasselbe gilt für einen Frequenzumformer, soweit ein solcher vorgesehen wird und dessen Kühlung erforderlich ist. Auch Linearantriebe zur Betätigung der Stellventile der Dampfturbine können, falls deren Kühlung erforderlich ist, durch den Wasserkreislauf versorgt werden. Damit ist es möglich, daß ein einziger Wasserkreislauf die gesamte Verlustwärmeabfuhr eines Turbosatzes übernimmt. Die in das Kreislaufwasser eingebrachte Wärmeenergie wird vorzugsweise durch einen Wärmeaus- tauscher entzogen. Dieser Wärmeaustauscher wird durch einen offenen Wasserkreislauf bedient, kann aber auch ein luftgekühlter Wärmeaustauscher sein.
Da Wasser eine relativ hohe Wärmeaufnahmekapazität besitzt, können die einzelnen Kühlkomponenten relativ klein ausfallen. Außerdem können kleiner dimensionierte Komponenten verwendet werden, weil die bisher üblichen Volumina für das Steueröl, das für die Steuerung der Stellzylinder für Stellventile der Dampfturbine und das Getriebeöl benutzt wird, eingespart wer- den können. Insgesamt ergibt sich daher auch eine Reduzierung der umlaufenden Medienmenge. Dies wirkt sich sowohl auf die Komponentengröße wie Rohrleitungen und Kühler, als auch auf die erforderliche Leistung des den Wasserkreislauf treibenden Pumpsystems aus. In dem Wasserkreislauf werden Wasserverluste bevorzugt durch aufbereitetes Wasser ersetzt, das ohnehin in Kraftwerken bereitgestellt wird, um das Wasser für die Dampfeinspeisung in die Dampfturbine in einem entsprechenden Kreislauf zu führen.
Da der Schmier- und Kühlmittelkreislauf mit dem gleichen Medium betrieben wird wie die Dampfturbine, kann das benötigte Kreislaufwasser auch dem Dampf/Wasser-Kreislauf des Kraft- werks entnommen werden. Dabei wird vorteilhaft das Kreislaufwasser gleichzeitig aufbereitet. Gegebenenfalls anfallende Verschleißpartikel oder sonstige Verunreinigungen, die z.B. vom Wellenlager herrühren, werden ausgefiltert.
Weil das gleiche Medium sowohl als Kühl- und Schmiermittel für die Wellenlager als auch für die Dampferzeugung der Dampfturbine verwendet wird, ist insbesondere bei Dampfturbinen mit axialer Abströmung eine Anordnung eines Wellenlagers im Abdampfström der Dampfturbine möglich, ohne daß im Falle von Leckagen in der Lagerdichtung eine Gefahr der Verschmutzung des Dampfkreislaufes durch ein artfremdes Medium zu befürchten ist.
Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele für einen öl- freien Dampfturbosatz mit Wasser als Schmier- und Kühlmedium angegeben. Es zeigen
FIG 1 einen ölfreien Dampfturbosatz mit Wasser als Sch ier- und Kühlmedium mit seitlicher (nämlich nach unten gerichteter) Dampfabströmung.
FIG 2 einen ölfreien Dampfturbosatz mit Wasser als Schmier- und Kühlmedium mit axialer Dampfabströmung.
In Abbildung 1 ist in schematischer Weise ein Dampfturbosatz dargestellt, der insgesamt das Bezugszeichen 1 trägt und eine Dampfturbineneinheit 2 und eine Generatoreinheit 3 als sonstige Arbeitsmaschineneinheit enthält. Die Einheiten 2 und 3 sind miteinander verbunden durch eine Welle 4. Diese Welle besteht aus mehreren Wellenteilen (zwei Teilwellen 41, 42), die mit gleicher Drehzahl rotieren. Die Teilwelle 41 führt durch die Dampfturbineneinheit 2. Innerhalb der Dampfturbine 20 sind an dieser Teilwelle 41 die Laufschaufeln 211 der Tur- bine angebracht, von denen zur besseren Übersichtlichkeit in der Zeichnung nur zwei Stück dargestellt sind. Zwischen den Laufschaufeln 211 sind an der Turbinenwand der Dampfturbine 20 noch die Leitschaufeln 212 angebracht, von denen ebenfalls zwecks besserer Übersichtlichkeit lediglich zwei Stück dargestellt sind. Die Teilwelle 42 führt durch den Generator 30. An ihr angebracht ist der Anker 31 des Generators 30, dessen Stator 32 den Anker 31 in U fangsrichtung umgibt und sich im Gehäuse des Generators 30 befindet. Die beiden Teilwellen 41 und 42 der Welle 4 sind miteinander durch Flansche 43 verbunden. Vom Generator 30 wird der damit erzeugte Strom über Leitungen 51 einem Frequenzumformer 5 zugeleitet. Dieser Fre- quenzumformer 5 wandelt die von der Drehzahl und der Polzahl der Welle 4 bestimmte Ausgangsfrequenz des Generatorstromes in eine Frequenz um, die der erforderlichen Netzfrequenz des zu speisenden Stromnetzes entspricht. Die Abgabe des Stromes an das Stromnetz erfolgt dabei durch die Leitungen 52.
Die Zuführung des die Turbine 20 treibenden Dampfes erfolgt durch die DampfZuführung 22. Geregelt wird die Dampfzufuhr über Stellventile 221, die ihrerseits über einen oder mehrere Linearantriebe 222 und elektrische Regler 223 betrieben wer- den.
Die Abströmung des Turbinendampfes erfolgt bei diesem Ausfüh- rungsbeispiel über eine nach unten gerichtete Dampfabströmung 23. Bei einer derartigen seitlichen Dampfabströmung nach un- ten besteht gegenüber einer axialen Abströmung (vergleiche
Figur 2) der Vorteil, daß eine Lagerung der Welle 4 innerhalb der Dampfabströmungseinrichtung 23 nicht erforderlich ist.
Die Lagerung der Welle 4 erfolgt durch Wellenlager 6. Diese sind hier als Gleitlager ausgestaltet. Als Schmier- und Kühlmittel für diese Wellenlager 6 dient Wasser, das durch einen Wasservorlauf 70 und einen Wasserrücklauf 71 zur Verfügung gestellt wird. In Bewegung gehalten wird der Wasserkreislauf durch eine Pumpe 80. Die Zuführung des als Kühl- und Schmier- mediums wirkenden Kreislaufwassers zu den Wellenlagern 6 erfolgt durch vom Wasserkreislauf 71 abgehende Wasserzufuhrkanäle 72. In dem Wellenlager 6 wirkt das Kreislaufwasser als Kühl- und Schmiermedium. Somit wird die durch Gleitreibung im Lager entstehende Wärmeenergie vom Kreislaufwasser abgeführt. Von den Wellenlagern 6 wird das Kreislaufwasser dem Wasserrücklauf 70 über Wasserabfuhrkanäle 73 zugeführt.
Vorteilhafterweise kann das Kreislaufwasser des Wasserkreislaufes (70, 71) die Kühlung weiterer Komponenten des Turbosatzes übernehmen. In dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 wird das Kreislaufwasser ebenfalls zur Kühlung des Generators 30 verwendet. Über einen Wasserzufuhrkanal 74 wird das Kreislaufwasser in das Kühlsystem 33 des Generators 30 eingespeist und von dort über einen Wasserabfuhrkanal 75 dem Wasserrücklauf 70 zugeführt. In eben solcher Weise erfolgt eine gegebenenfalls erforderliche Kühlung der Linearantriebe 222 da- durch, daß diesen über einen Wasserzufuhrkanal 76 Kreislauf- wasser zugeführt und dieses über einen Wasserabfuhrkanal 77 dem Wasserrücklauf 71 zugeführt wird. In gleicher vorteilhafter Weise wird die Kühlung des Frequenzumformers 5 bewirkt. Dessen Kühlsystem (nicht dargestellt) wird Kreislaufwasser über einen Wasserzufuhrkanal 78 zugeführt und über einen Wasserabfuhrkanal 79 den Wasserrücklauf 71 zurückgeführt.
Die Kühlung des Kreislaufwassers (70, 71) erfolgt durch einen Wärmeübertrager 8 durch Abgabe der Wärmeenergie des Kreis- laufwassers an einen offenen Austauscherwasserkreislauf 81. Alternativ oder in Kombination dazu kann die Kühlung des Kreislaufwassers auch durch einen luftgekühlten Wärmeübertrager 9 erfolgen.
In besonders vorteilhafter Weise kann das Kühlwasser dem
(nicht dargestellten) Kreislauf des entsprechenden Kraftwerks entnommen werden, der auch das Wasser für die Erzeugung des Turbinendampfes bereitstellt. Der besondere Vorteil dieser Variante liegt darin, daß das Kreislaufwasser in diesem Falle zusammen mit dem Wasser des Dampfkreislaufes aufbereitet wird. Die in Figur 2 dargestellte Ausführungsform zeigt einen ölfreien Dampfturbosatz mit Wasser als Schmier- und Kühlmedium mit axialer Dampfabströmung. Komponenten, die der Ausführungsform von Abbildung 1 entsprechen, weisen die gleichen Bezugszeichen auf. Insbesondere trägt der Dampfturbosatz als solcher wieder das Bezugszeichen 1. Auch hier ist die Dampfturbineneinheit 2 mit der Generatoreinheit 3 durch eine Welle 4, (nämlich die zwei Teilwellen 41 und 42) verbunden. Die Teilwellen 41 und 42 sind über Flansche 43 direkt aneinander- gekoppelt. Die Teilwelle 42 trägt im Generator 30 einen Anker 31. Diesem gegenüber benachbart ist der ebenfalls im Generator 30 enthaltene Stator 32. Der vom Generator 30 erzeugte elektrische Strom wird über Leitungen 51 einem Frequenzumformer 5 zugeleitet, der nach Frequenzumformung den elektrischen Strom über Leitungen 52 in ein elektrisches Netz einspeist.
Innerhalb der Turbine 20 weist die Teilwelle 41 Laufschaufeln 211 auf. Innerhalb von Zwischenräumen zwischen den Laufschaufeln 211 befinden sich am statischen Teil der Dampfturbine 20 Leitschaufeln 212.
Entgegen dem Ausführungsbeispiel in Figur 1 weist die Dampfturbine 20 in diesem Ausführungsbeispiel eine Dampfabströ- mungseinrichtung 23' auf, durch die eine axiale Dampfabströmung bewirkt wird. Eine derartige axiale Dampfabströmung wird insbesondere bei ebener Aufstellung von Dampfturbinen mit Generator (z.B. auch in einem Strang mit einer Gasturbine) verlangt. Wie in der Figur zu erkennen ist, wird er Generator 30 dann an der Seite der Dampfeinströmung 22 der Dampfturbine 20 angekuppelt. An die Dampfabströmungseinrichtung 23' schließt sich üblicherweise ein (hier nicht dargestellter) Kondensator oder ein (ebenfalls nicht dargestellter) Gegendruckstutzen an. Im Gegensatz zu Ausführungsformen von Dampfturbinen mit Dampfabströmung nach unten oder zur Seite erfordert eine Dampfturbine mit axialer Abströmung ein Wellenlager im Dampfstrom. Eine derartige Anordnung ist im rechten Teil von Figur 2 erkennbar. Dort befindet sich ein die Welle 4 umgebendes Wellenlager 6 innerhalb der Dampfabströmungseinrich- tung 23'. Durch diese Anordnung besteht die erhebliche Gefahr, daß Kühl- und Schmiermittel vom Lager 6 in den Dampfkreislauf gelangt. Bei der hier vorgesehenen Verwendung von Kreislaufwasser aus dem Wasservorlauf 71 zur Schmierung und Kühlung des Lagers 6 ist eine Verunreinigung des Dampfkreislaufmediums durch ein artfremdes Kühl- und Schmiermittel für das innerhalb der Dampfabströmungseinrichtung 23' befindliche Wellenlager 6 praktisch unmöglich.
Die Versorgung der Lager 6 mit Kreislaufwasser erfolgt durch Wasserzufuhrkanäle 72. Durch Wasserabfuhrkanäle 73 gelangt das Kreislaufwasser in den Wasserrücklauf 71. Wie bei der Ausführungsform in Figur 1 ist es auch hier vorteilhaft, das Kühlsystem 33 des Generators 30 mit Kreislaufwasser über ei- nen Wasserzuführkanal 74 und einen Wasserabfuhrkanal 75 zu speisen. Ebenfalls vorteilhaft ist die Kühlung der Linearantriebe 222 - sofern erforderlich - und des Frequenzumformers 5, soweit dieser erforderlich ist, durch das Kreislaufwasser aus dem Wasserkreislauf (70/71) .
Selbstverständlich ist es beiden genannten Ausführungsformen möglich, die zweiteilig dargestellte Welle 4 durch eine einheitliche Welle zu ersetzen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines Dampfturbosatzes (1) mit einer Dampfturbineneinheit (2) und einer einen Generator (30) zur Erzeugung von Strom enthaltenden Arbeitsmaschineneinheit (3) , wobei der Dampfturbineneinheit (2) Dampf mittels ölfrei angetriebener Ventile (221) zugeführt wird, ein in der Dampfturbineneinheit (2) in einem Wellenlager (6) gelagertes Wellenteil (41) einer Welle (4) mittels einer Dampfturbine (20) in Rotation versetzt wird, die gleiche Rotation der Welle mittels eines ölfrei in der Arbeitsmaschineneinheit (3) gelagerten Wellenteils (42) auf den Generator (30) ohne Zwischenschaltung eines Getriebes übertragen wird, das Wellenlager (6) mit Wasser als Kühl- und Schmiermittel gespeist wird und der Strom aus dem Generator über einen elektrischen Frequenzumformer (5) in ein Verbrauchernetz (52) mit vorgegebener Netzfrequenz eingespeist wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem alle Lager (6) rotie- render Teile mit aufbereitetem Wasser aus einem Wasserkreislauf (70/71) geschmiert und gekühlt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem dem Wasserkreislauf auch das Wasser zur Erzeugung des Dampfes für die Dampftur- bine entnommen wird.
4. Dampfturbosatz (1) mit einer Dampfturbineneinheit (2) und einer weiteren Arbeitsmaschineneinheit (3) , wobei einer Dampfturbine (20) Dampf über Stellventile (221) zuführbar ist, mit dem Dampf eine Welle (4) mit einem in einem Wellenlager (6) sitzenden Wellenteil (41) der Dampfturbineneinheit (2) in Rotation versetzbar und von der Welle (4) ein Generator (30) der Arbeitsmaschineneinheit (3) antreibbar ist, wobei ein Kreislauf (70/71) für Wasser als Schmier- und Kühl- mittel für das Wellenlager (6), ein ohne Zwischenschaltung eines Getriebes direkt von der Dampfturbine (20) angetriebenes, ölfrei gelagertes Wellenteil (42) des Generators (30) und ölfreie Antriebe für die Stellventile (221) vorgesehen sind, wobei dem Generator (30) ein Frequenzumformer (5) zur Erzeugung von Strom einer gewünschten Frequenz zur Einspeisung in ein Verbrauchernetz nachgeschaltet ist.
5. Dampfturbosatz (1) nach Anspruch 4, bei dem die Welle (4) von dem Wellenteil (41) der Dampfturbineneinheit, dem Wellenteil (42) der Arbeitsmaschineneinheit und einer starren Kopplung (43) beider Wellenteile gebildet ist.
6. Dampfturbosatz (1) nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die Welle mit dem Wellenteil (41) der Dampfturbineneinheit (2) und dem Wellenteil (42) der Arbeitsmaschine (30) aus einem Stück besteht und nur in dem Wellenlager (5) gelagert ist.
7. Dampfturbosatz (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem die Dampfturbineneinheit (2) eine Abströmung in axialer Richtung aufweist und das Wellenlager (6) in dieser Abströmung angeordnet ist.
8. Dampfturbosatz (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem mindestens ein Lager für das angetriebene Wellenteil (42) der Arbeitsmaschineneinheit (3) von Wasser als Schmier- und Kühlmittel gespeist ist.
9. Dampfturbosatz (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, bei dem die Stellventile (221) ölfreie Linearantriebe (222, 223) aufweisen.
10. Dampfturbosatz (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 9, bei dem der Wasserkreislauf (70/71) mit aufbereitetem Wasser aus einem Wasserkreislauf eines Kraftwerks, insbesondere einem den Dampf für die Dampfturbineneinheit (2) liefernden Wasserkreislauf, gespeist ist.
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