EP1774140B1 - Dampfturbine und verfahren zum betrieb einer dampfturbine - Google Patents

Dampfturbine und verfahren zum betrieb einer dampfturbine Download PDF

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EP1774140B1
EP1774140B1 EP05769957A EP05769957A EP1774140B1 EP 1774140 B1 EP1774140 B1 EP 1774140B1 EP 05769957 A EP05769957 A EP 05769957A EP 05769957 A EP05769957 A EP 05769957A EP 1774140 B1 EP1774140 B1 EP 1774140B1
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EP
European Patent Office
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steam
inner casing
rotor
balance piston
steam turbine
Prior art date
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Active
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EP05769957A
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English (en)
French (fr)
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EP1774140A1 (de
Inventor
Frank Deidewig
Yevgen Kostenko
Oliver Myschi
Michael Wechsung
Uwe Zander
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • 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
    • F01D3/00—Machines or engines with axial-thrust balancing effected by working-fluid
    • F01D3/04—Machines or engines with axial-thrust balancing effected by working-fluid axial thrust being compensated by thrust-balancing dummy piston or the like

Definitions

  • the invention relates to a steam turbine with an outer housing and an inner housing, wherein the outer housing and the inner housing have a live steam supply channel, wherein a rotor having a thrust piston having a plurality of blades rotatably mounted within the inner housing, and the inner housing has a plurality of guide vanes arranged in such a way in that along a flow direction a flow channel with a plurality of blade stages, each having a row of blades and a row of vanes, is formed.
  • the invention further relates to a method for producing a steam turbine having an outer housing and an inner housing, wherein the outer housing and the inner housing have a live steam supply channel, wherein a rotor having a thrust balance piston comprising a plurality of rotor blades is rotatably mounted within the inner housing and on the inner housing a plurality of guide vanes such in that a flow channel is formed along a flow direction with a plurality of blade stages, each having a row of blades and a row of vanes, through which a vapor flows during operation.
  • a steam turbine is understood to mean any turbine or sub-turbine through which a working medium in the form of steam flows.
  • gas turbines are traversed with gas and / or air as the working medium, which, however, is subject to completely different temperature and pressure conditions than the steam in a steam turbine.
  • gas turbines has steam turbines z.
  • An open cooling system that opens to the flow channel is, in gas turbines even without partial turbine external supply of cooling medium feasible.
  • an external supply for cooling medium should be provided. For this reason, the prior art relating to gas turbines can not be used for the assessment of the subject of the present application.
  • a steam turbine typically comprises a rotor-mounted rotatably mounted rotor disposed within a housing.
  • the rotor When flowing through the interior of the flow channel formed by the housing shell with heated and pressurized steam, the rotor is rotated by the vanes through the steam.
  • the blades of the rotor are also referred to as blades.
  • usually stationary guide vanes are suspended on the inner housing, which engage along an axial extent of the body in the interspaces of the rotor blades.
  • a vane is typically held at a first location along an interior of the steam turbine casing. In this case, it is usually part of a stator blade row, which comprises a number of guide vanes, which are arranged along an inner circumference on the inside of the steam turbine housing.
  • Each vane has its blade radially inward.
  • a row of vanes at said first location along the axial extent is also referred to as a vane grille or crown.
  • a number of vane rows are connected in series. Accordingly, at a second location along the axial extent behind the first location, a further second blade is held along the inside of the steam turbine housing.
  • a pair of a vane row and a blade row is also referred to as a vane stage.
  • the housing jacket of such a steam turbine can be formed from a number of housing segments.
  • the stationary housing component of a steam turbine or a turbine part to understand that along the longitudinal direction of the steam turbine having an interior in the form of a flow channel, which is provided for the passage of the working medium in the form of vapor.
  • this can be an inner casing and / or a guide vane carrier.
  • it may also be provided a turbine housing, which has no inner housing or no guide vane.
  • Desirable is effective cooling in a steam turbine component, in particular for a steam turbine operated in the high temperature range.
  • the invention begins, whose object is a steam turbine and a method for their production, in which the steam turbine is cooled particularly effectively even in the high temperature range.
  • the object is achieved with an initially mentioned steam turbine with an outer housing and an inner housing, wherein the outer housing and the inner housing have a live steam supply channel, wherein a thrust balance piston having rotor comprising a plurality of rotor blades rotatably mounted within the inner housing, and the inner housing a plurality of vanes arranged such that along a flow direction, a flow channel having a plurality of blade stages, each having a row of blades and a row of vanes, is formed, wherein the inner housing has a connection, as a communicating tube between the flow channel after a blade stage and a Schubaus Dermavorraum between the thrust balance piston of the rotor and the inner housing is formed, wherein the inner housing has a cross-return passage, which acts as a communicating Röh is formed between a sealing space between the rotor and the inner housing and a arranged after a blade stage inflow space in the flow channel and wherein the cross-return passage away from the sealing space substantially perpen
  • connection comprises a return channel, which is designed as a communicating tube between a space between the inner housing and outer housing and the flow channel according to a blade stage.
  • the connection further comprises, in an advantageous embodiment, a supply channel formed as a communicating tube between the space between the inner housing and outer housing and a thrust balance piston antechamber between the thrust balance piston of the rotor and the inner housing.
  • the invention is based on the finding that flow medium, in this case steam, can be removed after a certain number of turbine stages and this expanded and cooled steam can be introduced into a thrust balance piston antechamber.
  • the invention is based on the idea that for steam turbines designed for the highest steam parameters, it is important to design both the rotor against high temperatures and housing parts, such as the inner housing or the outer housing and their screw connection for high temperatures and pressures.
  • the outer side of the inner housing, its screw and the inside of the outer housing undergoes a lower temperature.
  • other and possibly less expensive materials can be used for the outer housing as well as for the inner housing and their fittings. It is also conceivable that the outer housing can be made thinner.
  • the return channel and the supply channel are designed such that always steam flows from the flow channel in the thrust balance piston antechamber.
  • the thrust balance piston antechamber is arranged in an axial direction between thrust balance piston and inner housing.
  • the steam flowing into the thrust balance piston antechamber meets on the one hand the task of applying force to the thrust balance and on the other a cooling of the thrust balance piston, especially in high-pressure turbine sections, particularly thermally stressed.
  • the return channel and the supply channel are formed substantially perpendicular to the flow direction in the inner housing.
  • the space between the inner housing and the outer housing is in this case designed to connect the return channel to the supply channel.
  • Production-related aspects are in the foreground for this arrangement.
  • vertical alignment changes are avoided from housing to turbine axis, since the forced flow achieved by the space between the inner and outer outer housing uncontrolled formation of natural convection associated temperature stratification of the housings are avoided.
  • a steam flowing into the steam turbine flows for the most part through the flow channel.
  • a small part of the live steam does not flow through the flow channel, but through a sealing space which is arranged between the rotor and the inner housing.
  • This part of the steam is also referred to as leakage steam and leads to a loss of efficiency of the steam turbine.
  • This leakage steam which has approximately live steam temperature and live steam pressure, thermally stresses the rotor and the inner housing in the sealing space.
  • This hot and under high pressure sealing steam is passed through the cross-return passage from the sealing space through the inner housing back into the flow channel after a blade stage and expands below.
  • an overload introduction leading through the outer housing and inner housing opens in the influx room.
  • the return channel is connected to the flow channel after a recirculation vane stage and the cross recirculation channel is connected to the flow channel for a cross recirculation vane stage, the cross recirculation vane stage being located downstream of the recirculation vane stage in the flow channel flow direction.
  • the recycle vane stage is the fourth vane stage and the cross-return vane stage is the fifth vane stage.
  • the cross-return vane stage is the fifth vane stage.
  • the object directed to the method is achieved by a method for producing a steam turbine having an outer housing and an inner housing, wherein the outer housing and the inner housing have a live steam supply channel, wherein a rotor having a thrust balance piston and a plurality of rotor blades is rotatably mounted within the inner housing and at the inner housing a plurality of vanes are arranged such that a flow channel along a flow direction with a plurality of blade stages, each having a row of blades and a number of vanes is formed, through which a steam flows during operation, wherein steam after a blade stage via a connection in a flows between the thrust balance piston of the rotor and the inner housing located Schubaus damagesskolbenvorraum.
  • the steam flows to the blade stage via a return channel located in the inner housing in a space between the inner housing and outer housing and from there via a supply channel located in the inner housing in the located between the thrust balance piston of the rotor and the inner housing Schubaus Dermatour.
  • the live steam temperatures are between 550 ° C to 600 ° C and the temperature of the steam flowing into the recirculation duct is between 520 ° C and 550 ° C. It is also advantageous that the steam flows at temperatures between 550 ° C to 600 ° C in the overload discharge. It is equally advantageous that the steam flows at temperatures between 540 ° C to 560 ° C in the cross-return passage.
  • FIG. 1 is a cross section through a steam turbine 1 according to the prior art shown.
  • the steam turbine 1 has an outer housing 2 and an inner housing 3.
  • the inner housing 3 and the outer housing 2 do not have one closer to the live steam supply channel shown.
  • the rotor is rotationally symmetrical about a rotation axis 6.
  • the rotor 5 comprises a plurality of rotor blades 7.
  • the inner casing 3 has a plurality of stator blades 8. Between the inner housing 3 and the rotor 5, a flow channel 9 is formed.
  • a flow channel 9 comprises a plurality of blade stages, each of which is formed by a row of rotor blades 7 and a row of stator blades 8.
  • Fresh steam flows into an inflow opening 10 via the main steam supply duct and flows from there in a flow direction 11 through the flow duct 9, which runs essentially parallel to the axis of rotation 6.
  • the live steam expands and cools down. Thermal energy is converted into rotational energy.
  • the rotor 5 is set in a rotational movement and can drive a generator for electrical power generation.
  • a thrust balance piston 4 is formed such that a thrust balance piston antechamber 12 is formed.
  • a thrust balance piston antechamber 12 By supplying steam into the thrust balance piston antechamber 12 creates a counterforce, which counteracts a thrust 13.
  • FIG. 2 is a partial section of a steam turbine 1 to see.
  • steam flows over the live steam supply channel not shown in the input space 10.
  • the live steam supply is represented symbolically by the arrow 13.
  • the live steam usually has temperatures of up to 600 ° C and a pressure of up to 258 bar.
  • the live steam flows in the flow direction 11 through the flow channel 9. After a blade stage, the steam flows via a connection 14, 15, 16, which serves as a communicating tube between the flow channel 9 and a thrust balance piston 4 of the rotor 5 and the inner housing. 3
  • the steam flows through a return channel 14, which is formed as a communicating tube between a space 15 between the inner housing 3 and the outer housing 2 and the flow channel 9 for a blade stage, in the space 15 between the inner housing 3 and outer housing 2.
  • the in space 15 between Inner housing 3 and outer housing 2 located steam now has a temperature of 532 ° C and a pressure of 176 bar.
  • the steam flows via a supply channel 16, which serves as a communicating tube between the space 15 between the inner housing 3 and outer housing 2 and the thrust balance piston antechamber 12 between the thrust balance piston 4 of the rotor 5 and the inner housing 3 in the thrust balance piston antechamber 12th
  • the thrust balance piston antechamber 12 in an axial direction 17 between thrust balance piston 4 and inner housing 3 is arranged.
  • a fresh steam flowing into the space 10 flows for the most part in the flow direction 11 into the flow channel 9.
  • a smaller part flows as a leak vapor into a sealing space 18.
  • the leakage steam flows essentially in an opposite direction 19.
  • the leakage steam flows through a cross-return duct 20 acting as a communicating tube between a between the sealing chamber 18 between the rotor 5 and the housing 3 and arranged after a blade stage inlet space 26 in the flow channel 9 in the flow channel 9.
  • the cross-return passage 20 is in this case from the sealing chamber 18 away in substantially perpendicular to the flow direction 11, after a deflection 21 substantially parallel to the flow direction 11 and after a second deflection 22 substantially perpendicular to the flow direction 11 is formed.
  • the inner housing and outer housing may be formed with an overload introduction, not shown.
  • In the overload discharge flows external steam, which is symbolized by the arrow 23.
  • the recirculation passage 14 is connected to the flow passage 9 downstream of a recirculation vane stage 24, and the cross recirculation passage 20 is connected to the flow passage 9 downstream of a cross return vane stage 25.
  • the cross-return vane stage 25 is in this case arranged in the flow direction 11 of the flow channel 9 after the return vane stage 24.
  • the recycle vane stage 24 is the fourth vane stage and the cross-return vane stage is the fifth vane stage.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Dampfturbine mit einem Außengehäuse und einem Innengehäuse, wobei das Außengehäuse und das Innengehäuse einen Frischdampfzuführungskanal aufweisen, wobei ein einen Schubausgleichskolben aufweisender Rotor umfassend mehrere Laufschaufeln drehgelagert innerhalb das Innengehäuses angeordnet ist, und das Innengehäuse mehrere Leitschaufeln aufweist, die derart angeordnet sind, dass entlang einer Strömungsrichtung ein Strömungskanal mit mehreren Schaufelstufen, die jeweils eine Reihe Laufschaufeln und eine Reihe Leitschaufeln aufweist, gebildet ist.
  • Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung einer Dampfturbine mit einem Außengehäuse und einem Innengehäuse, wobei das Außengehäuse und das Innengehäuse einen Frischdampfzuführungskanal aufweisen, wobei ein einen Schubausgleichskolben aufweisender Rotor umfassend mehrere Laufschaufeln drehgelagert innerhalb des Innengehäuses angeordnet wird und an dem Innengehäuse mehrere Leitschaufeln derart angeordnet werden, dass ein Strömungskanal entlang einer Strömungsrichtung mit mehreren Schaufelstufen, die jeweils eine Reihe Laufschaufeln und eine Reihe Leitschaufeln aufweisen, ausgebildet wird, durch den im Betrieb ein Dampf strömt.
  • Unter einer Dampfturbine im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird jede Turbine oder Teilturbine verstanden, die von einem Arbeitsmedium in Form von Dampf durchströmt wird. Im Unterschied dazu werden Gasturbinen mit Gas und/oder Luft als Arbeitsmedium durchströmt, das jedoch völlig anderen Temperatur- und Druckbedingungen unterliegt als der Dampf bei einer Dampfturbine. Im Gegensatz zu Gasturbinen weist bei Dampfturbinen z. B. das einer Teilturbine zuströmende Arbeitsmedium mit der höchsten Temperatur gleichzeitig den höchsten Druck auf. Ein offenes Kühlsystem, das zum Strömungskanal offen ist, ist bei Gasturbinen auch ohne Teilturbinen-externe Zuführung von Kühlmedium realisierbar. Für eine Dampfturbine sollte eine externe Zuführung für Kühlmedium vorgesehen sein. Der Stand der Technik betreffend Gasturbinen kann schon deswegen nicht für die Beurteilung des vorliegenden Anmeldungsgegenstands herangezogen werden.
  • Eine Dampfturbine umfasst üblicherweise einen mit Schaufeln besetzten drehbar gelagerten Rotor, der innerhalb eines Gehäuses bzw. Gehäusemantels angeordnet ist. Bei Durchströmung des vom Gehäusemantel gebildeten Innenraums des Strömungskanals mit erhitztem und unter Druck stehendem Dampf wird der Rotor über die Schaufeln durch den Dampf in Drehung versetzt. Die Schaufeln des Rotors werden auch als Laufschaufeln bezeichnet. Am Innengehäuse sind darüber hinaus üblicherweise stationäre Leitschaufeln aufgehängt, welche entlang einer axialen Ausdehnung des Körpers in die Zwischenräume der Rotorschaufeln greifen. Eine Leitschaufel ist üblicherweise an einer ersten Stelle entlang einer Innenseite des Dampfturbinen-Gehäuses gehalten. Dabei ist sie üblicherweise Teil einer Leitschaufelreihe, welche eine Anzahl von Leitschaufeln umfasst, die entlang eines Innenumfangs an der Innenseite des Dampfturbinen-Gehäuses angeordnet sind. Dabei weist jede Leitschaufel mit ihrem Schaufelblatt radial nach innen. Eine Leitschaufelreihe an der genannten ersten Stelle entlang der axialen Ausdehnung wird auch als Leitschaufelgitter oder -kranz bezeichnet. Üblicherweise ist eine Anzahl von Leitschaufelreihen hintereinander geschaltet. Entsprechend ist an einer zweiten Stelle entlang der axialen Ausdehnung hinter der ersten Stelle eine weitere zweite Schaufel entlang der Innenseite des Dampfturbinen-Gehäuses gehalten. Ein Paar einer Leitschaufelreihe und einer Laufschaufelreihe wird auch als Schaufelstufe bezeichnet.
  • Der Gehäusemantel einer derartigen Dampfturbine kann aus einer Anzahl von Gehäusesegmenten gebildet sein. Unter dem Gehäusemantel der Dampfturbine ist insbesondere das stationäre Gehäusebauteil einer Dampfturbine oder einer Teilturbine zu verstehen, das entlang der Längsrichtung der Dampfturbine einen Innenraum in Form eines Strömungskanals aufweist, der zur Durchströmung mit dem Arbeitsmedium in Form von Dampf vorgesehen ist. Dies kann, je nach Dampfturbinenart, ein Innengehäuse und/oder ein Leitschaufelträger sein. Es kann aber auch ein Turbinengehäuse vorgesehen sein, welches kein Innengehäuse oder keinen Leitschaufelträger aufweist.
  • Aus Wirkungsgradgründen kann die Auslegung einer derartigen Dampfturbine für so genannte "hohe Dampfparameter", also insbesondere hohe Dampfdrücke und/oder hohe Dampftemperaturen, wünschenswert sein. Allerdings ist insbesondere eine Temperaturerhöhung aus materialtechnischen Gründen nicht unbegrenzt möglich. Um dabei einen sicheren Betrieb der Dampfturbine auch bei besonders hohen Temperaturen zu ermöglichen, kann daher eine Kühlung einzelner Bauteile oder Komponenten wünschenswert sein. Die Bauteile sind nämlich in ihrer Temperaturfestigkeit begrenzt. Ohne effiziente Kühlung würden bei steigenden Temperaturen wesentlich teurere Materialien (z. B. Nickelbasislegierungen) nötig.
  • Bei den bisher bekannten Kühlmethoden, insbesondere für einen Dampfturbinen-Körper in Form eines Dampfturbinen-Gehäuses oder eines Rotors, ist zwischen einer aktiven Kühlung und einer passiven Kühlung zu unterscheiden. Bei einer aktiven Kühlung wird eine Kühlung durch ein dem Dampfturbinen-Körper separat, d. h. zusätzlich zum Arbeitsmedium zugeführtes Kühlmedium bewirkt. Dagegen erfolgt eine passive Kühlung lediglich durch eine geeignete Führung oder Verwendung des Arbeitsmediums. Bisher wurden Dampfturbinen-Körper vorzugsweise passiv gekühlt.
  • So ist beispielsweise aus der DE 34 21 067 C2 bekannt, ein Innengehäuse einer Dampfturbine mit kühlem, bereits expandiertem Dampf zu umströmen. Dies hat jedoch den Nachteil, dass eine Temperaturdifferenz über die Innengehäusewandung beschränkt bleiben muss, da sich sonst bei einer zu großen Temperaturdifferenz das Innengehäuse thermisch zu stark verformen würde. Bei einer Umströmung des Innengehäuses findet zwar eine Wärmeabfuhr statt, jedoch erfolgt die Wärmeabfuhr relativ weit entfernt von der Stelle der Wärmezufuhr. Eine Wärmeabfuhr in unmittelbarer Nähe der Wärmezufuhr ist bisher nicht in ausreichendem Maße verwirklicht worden. Eine weitere passive Kühlung kann mittels einer geeigneten Gestaltung der Expansion des Arbeitsmediums in einer so genannten Diagonalstufe erreicht werden. Hierüber lässt sich allerdings nur eine sehr begrenzte Kühlwirkung für das Gehäuse erzielen.
  • In der US 6,102,654 ist eine aktive Kühlung einzelner Komponenten innerhalb eines Dampfturbinen-Gehäuses beschrieben, wobei die Kühlung auf den Einströmbereich des heißen Arbeitsmediums beschränkt ist. Ein Teil des Kühlmediums wird dem Arbeitsmedium beigemischt. Die Kühlung soll dabei durch ein Anströmen der zu kühlenden Komponenten erreicht werden.
  • Aus der WO 97/49901 und WO 97/49900 ist bekannt, einen einzelnen Leitschaufelkranz zur Abschirmung einzelner Rotorbereiche selektiv durch einen von einem zentralen Hohlraum bespeisten separaten radialen Kanal im Rotor mit einem Medium zu beaufschlagen. Dazu wird das Medium über den Kanal dem Arbeitsmedium beigemischt und der Leitschaufelkranz selektiv angeströmt. Bei der dazu vorgesehenen mittigen Hohlbohrung des Rotors sind jedoch erhöhte Fliehkraftspannungen in Kauf zu nehmen, was einen erheblichen Nachteil in Auslegung und Betrieb darstellt.
  • In der US-A 3,614,255 wird eine Dampfturbine mit einem Ausgleichskolben offenbart, wobei der Ausgleichskolben mit Dampf angeströmt wird, der aus einer Leitung strömt, die in den Strömungskanal nach einer Schaufelreihe mündet.
  • In der US-A 4,661,043 wird eine einflutige Dampfturbine mit einem Ausgleichskolben offenbart, wobei der Ausgleichskolben gekühlt wird.
  • In der US-A 2,796,231 wird eine einflutige Dampfturbine mit einem Ausgleichskolben offenbart, der über eine im Innengehäuse angeordnete Leitung mit Kühldampf angeströmt wird.
  • In der EP 1 154 123 ist eine Möglichkeit der Entnahme und Führung eines Kühlmediums aus anderen Bereichen eines Dampfsystems und die Zuführung des Kühlmediums im Einströmbereich des Arbeitsmediums beschrieben.
  • Zur Erzielung höherer Wirkungsgrade bei der Stromerzeugung mit fossilen Brennstoffen besteht das Bedürfnis, bei einer Turbine höhere Dampfparameter, d. h. höhere Drücke und Temperaturen als bisher üblich anzuwenden. Bei Hochtemperatur-Dampfturbinen sind beim Dampf als Arbeitsmedium Temperaturen zum Teil weit über 500 °C, insbesondere über 540 °C, vorgesehen. Im Detail sind solche Dampfparameter für Hochtemperatur-Dampfturbinen in dem Artikel "Neue Dampfturbinenkonzepte für höhere Eintrittsparameter und längere Endschaufeln" von H. G. Neft und G. Franconville in der Zeitschrift VGB Kraftwerkstechnik, Nr. 73 (1993), Heft 5, angegeben. Der Offenbarungsgehalt des Artikels wird hiermit in die Beschreibung dieser Anmeldung aufgenommen, um verschiedene Ausführungen einer Hochtemperatur-Dampfturbine anzugeben. Insbesondere sind Beispiele höherer Dampfparameter für Hochtemperatur-Dampfturbinen in Bild 13 des Artikels genannt. In dem genannten Artikel wird zur Verbesserung der Kühlung eines Hochtemperatur-Dampfturbinen-Gehäuses eine Kühldampfzufuhr und Weiterleitung des Kühldampfs durch die erste Leitschaufelreihe vorgeschlagen. Damit wird zwar eine aktive Kühlung bereitgestellt. Diese ist jedoch auf den Hauptströmungsbereich des Arbeitsmediums beschränkt und noch verbesserungswürdig.
  • Alle bisher bekannten Kühlverfahren für ein Dampfturbinen-Gehäuse sehen also, soweit es sich überhaupt um aktive Kühlverfahren handelt, allenfalls ein gezieltes Anströmen eines separaten und zu kühlenden Turbinenteiles vor und sind auf den Einströmbereich des Arbeitsmediums, allenfalls unter Einbeziehung des ersten Leitschaufelkranzes, beschränkt. Dies kann bei einer Belastung üblicher Dampfturbinen mit höheren Dampfparametern zu einer auf die ganze Turbine wirkenden, erhöhten thermischen Belastung führen, welche durch eine oben beschriebene übliche Kühlung des Gehäuses nur unzureichend vermindert werden könnte. Dampfturbinen, die zur Erzielung höherer Wirkungsgrade grundsätzlich mit höheren Dampfparametern arbeiten, benötigen eine verbesserte Kühlung, insbesondere des Gehäuses und/oder des Rotors, um eine höhere thermische Belastung der Dampfturbine in genügendem Maße abzubauen. Dabei besteht das Problem, dass bei der Nutzung bisher üblicher Turbinenmaterialien die zunehmende Beanspruchung des Dampfturbinen-Körpers durch erhöhte Dampfparameter, z. B. gemäß dem "Neft"-Artikel, zu einer nachteiligen thermischen Belastung der Dampfturbine führen kann. Mit der Folge, dass eine Herstellung dieser Dampfturbine kaum mehr möglich ist.
  • Wünschenswert ist eine effektive Kühlung bei einer Dampfturbinen-Komponente, insbesondere für eine im Hochtemperaturbereich betriebene Dampfturbine.
  • An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, eine Dampfturbine und ein Verfahren zu ihrer Herstellung, bei denen die Dampfturbine selbst im Hochtemperatur-Bereich besonders effektiv gekühlt wird.
  • Hinsichtlich der Dampfturbine wird die Aufgabe mit einer eingangs genannten Dampfturbine mit einem Außengehäuse und einem Innengehäuse gelöst, wobei das Außengehäuse und das Innengehäuse einen Frischdampfzuführungskanal aufweisen, wobei ein einen Schubausgleichskolben aufweisender Rotor umfassend mehrere Laufschaufeln drehgelagert innerhalb des Innengehäuses angeordnet ist, und das Innengehäuse mehrere Leitschaufeln aufweist, die derart angeordnet sind, dass entlang einer Strömungsrichtung ein Strömungskanal mit mehreren Schaufelstufen, die jeweils eine Reihe Laufschaufeln und eine Reihe Leitschaufeln aufweisen, gebildet ist, wobei das Innengehäuse eine Verbindung aufweist, die als kommunizierende Röhre zwischen dem Strömungskanal nach einer Schaufelstufe und einem Schubausgleichskolbenvorraum zwischen dem Schubausgleichskolben des Rotors und des Innengehäuses ausgebildet ist, wobei das Innengehäuse einen Kreuz-Rückführungskanal auf, der als eine kommunizierende Röhre zwischen einem Dichtraum zwischen dem Rotor und dem Innengehäuse und einem nach einer Schaufelstufe angeordneten Zustromraum im Strömungskanal ausgebildet ist und wobei der Kreuz-Rückführungskanal vom Dichtraum weg im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung, nach einer Umlenkung im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung und nach einer zweiten Umlenkung im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung ausgebildet.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Verbindung einen Rückführungskanal, der als eine kommunizierende Röhre zwischen einem Raum zwischen Innengehäuse und Außengehäuse und dem Strömungskanal nach einer Schaufelstufe ausgebildet ist. Die Verbindung umfasst darüber hinaus in einer vorteilhaften Ausgestaltung einen Zuführungskanal, der als eine kommunizierende Röhre zwischen dem Raum zwischen Innengehäuse und Außengehäuse und einem Schubausgleichskolbenvorraum zwischen dem Schubausgleichskolben des Rotors und des innengehäuses ausgebildet ist.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Strömungsmedium, hier Dampf, nach einer gewissen Anzahl von Turbinenstufen entnommen und dieser expandierte und abgekühlte Dampf in einen Schubausgleichkolbenvorraum eingeleitet werden kann. Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, dass für Dampfturbinen, die für höchste Dampfparameter ausgelegt sind, es wichtig ist, sowohl den Rotor gegen hohe Temperaturen als auch Gehäuseteile, wie das Innengehäuse oder das Außengehäuse und deren Verschraubung für hohe Temperaturen und Drücke auszulegen.
  • Mit der Rückführung von abgekühltem und entspanntem Dampf in den Raum zwischen dem Innengehäuse und dem Außengehäuse erfährt die Außenseite des Innengehäuses, dessen Verschraubung und die Innenseite des Außengehäuses eine geringere Temperatur. Somit können für das Außengehäuse als auch für das Innengehäuse sowie deren Verschraubungen andere und ggf. kostengünstigere Materialien verwendet werden. Ebenso ist es vorstellbar, dass das Außengehäuse dünner ausgeführt werden kann. Der Rückführungskanal und der Zuführungskanal sind dabei derart ausgebildet, dass stets Dampf aus dem Strömungskanal in den Schubausgleichskolbenvorraum strömt.
  • In einer vorteilhaften Ausbildung ist der Schubausgleichskolbenvorraum in einer axialen Richtung zwischen Schubausgleichskolben und Innengehäuse angeordnet. Somit erfüllt der in den Schubausgleichskolbenvorraum strömende Dampf zum einen die Aufgabe einer Kraftausübung zum Schubausgleich und zum anderen einer Kühlung des Schubausgleichskolbens der, insbesondere in Hochdruck-Teilturbinen, besonders thermisch belastet ist.
  • In einer vorteilhaften Ausbildung werden der Rückführungskanal und der Zuführungskanal im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung im Innengehäuse ausgebildet. Der Raum zwischen dem Innengehäuse und Außengehäuse ist hierbei ausgebildet zum Verbinden des Rückführungskanals mit dem Zuführungskanals. Für diese Anordnung stehen fertigungstechnische Aspekte im Vordergrund. Außerdem werden vertikale Ausrichtänderungen von Gehäuse- zu Turbinenachse vermieden, da durch die erzielte Zwangsbeströmung des Raumes zwischen Innen- und Au-ßengehäuse eine unkontrollierte Ausbildung von mit Naturkonvektion verbundenen Temperaturschichtungen an den Gehäusen vermieden werden.
  • Ein in die Dampfturbine einströmender Frischdampf strömt zum größten Teil durch den Strömungskanal. Ein geringer Teil des Frischdampfes strömt nicht durch den Strömungskanal, sondern durch einen Dichtraum der zwischen dem Rotor und dem Innengehäuse angeordnet ist. Dieser Teil des Dampfes wird auch als Leckdampf bezeichnet und führt zu einem Wirkungsgradverlust der Dampfturbine. Dieser Leckdampf, der annähernd Frischdampftemperatur und Frischdampfdruck aufweist, belastet thermisch den Rotor und das Innengehäuse im Dichtraum stark. Dieser heiße und unter hohem Druck stehende Dichtdampf wird über den Kreuz-Rückführungskanal aus dem Dichtraum durch das Innengehäuse wieder in den Strömungskanal nach einer Schaufelstufe geleitet und expandiert nachfolgend.
  • Somit kann man den Kreuz-Rückführungskanal besonders fertigungstechnisch einfach ausbilden, was die Investitionskosten erheblich senkt.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung mündet eine durch das Außengehäuse und Innengehäuse führende Überlasteinleitung in den Zustromraum. Beim Betrieb einer Dampfturbine ist es durchaus üblich, kurzzeitig über eine Überlasteinleitung zusätzlichen Dampf in die Dampfturbine zu führen, um dadurch größere Leistung zu erreichen. Durch den Kreuz-Rückführungskanal, der genauso wie die Überlasteinleitung in den Zustromraum mündet, wird zusätzlich Dampf geliefert, der insgesamt zu einer Wirkungsgraderhöhung der Dampfturbine führt.
  • Vorteilhafterweise ist der Rückführungskanal mit dem Strömungskanal nach einer Rückführungs-Schaufelstufe verbunden und der Kreuz-Rückführungskanal mit dem Strömungskanal nach einer Kreuz-Rückführungs-Schaufelstufe verbunden, wobei die Kreuz-Rückführungs-Schaufelstufe in der Strömungsrichtung des Strömungskanals nach der Rückführungs-Schaufelstufe angeordnet ist.
  • Insbesondere ist die Rückführungs-Schaufelstufe die vierte Schaufelstufe und die Kreuz-Rückführungs-Schaufelstufe die fünfte Schaufelstufe. Je nach Ausführungsform der Dampfturbine ist auch eine andere Schaufelstufe möglich.
  • Die auf das Verfahren hin gerichtete Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Dampfturbine mit einem Außengehäuse und einem Innengehäuse, wobei dass Außengehäuse und das Innengehäuse einen Frischdampfzuführungskanal aufweisen, wobei ein einen Schubausgleichskolben aufweisender Rotor umfassend mehrere Laufschaufeln drehgelagert innerhalb des Innengehäuses angeordnet wird und an dem Innengehäuse mehrere Leitschaufeln derart angeordnet werden, dass ein Strömungskanal entlang einer Strömungsrichtung mit mehreren Schaufelstufen, die jeweils eine Reihe Laufschaufeln und eine Reihe Leitschaufeln aufweisen, ausgebildet wird, durch den im Betrieb ein Dampf strömt, wobei Dampf nach einer Schaufelstufe über eine Verbindung in einen zwischen dem Schubausgleichskolben des Rotors und des Innengehäuses befindlichen Schubausgleichskolbenvorraum strömt.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung strömt der Dampf nach der Schaufelstufe über einen im Innengehäuse befindlichen Rückführungskanal in einen Raum zwischen Innengehäuse und Außengehäuse und von dort über einen im Innengehäuse befindlichen Zuführungskanal in den zwischen dem Schubausgleichskolben des Rotors und des Innengehäuses befindlichen Schubausgleichskolbenvorraum.
  • Die auf das Verfahren hin bezogenen Vorteile ergeben sich entsprechend den vorgenannten, auf die Dampfturbine bezogenen, Vorteilen.
  • Insbesondere ist es vorteilhaft, dass mit dem Dampf im Schubausgleichskolbenvorraum ein Schubausgleich erreicht wird.
  • Vorteilhafterweise liegen die Frischdampftemperaturen zwischen 550°C bis 600°C und die Temperatur des Dampfes, der in den Rückführungskanal strömt, zwischen 520°C und 550°C. Weiter vorteilhaft ist, dass der Dampf mit Temperaturen zwischen 550°C bis 600°C in die Überlasteinleitung strömt. Genauso vorteilhaft ist es, dass der Dampf mit Temperaturen zwischen 540°C bis 560°C in den Kreuz-Rückführungskanal strömt.
  • Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:
    • Figur 1
    einen Querschnitt durch eine Dampfturbine gemäß Stand der Technik,
    Figur 2
    einen Teilschnitt durch eine Dampfturbine mit einer ersten Anordnung,
  • In der Figur 1 ist ein Querschnitt durch eine Dampfturbine 1 gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Die Dampfturbine 1 weist ein Außengehäuse 2 und ein Innengehäuse 3 auf. Das Innengehäuse 3 und das Außengehäuse 2 weisen einen nicht näher dargestellten Frischdampfzuführungskanal auf. Innerhalb des Innengehäuses 3 ist ein einen Schubausgleichskolben 4 aufweisender Rotor 5 drehgelagert angeordnet. Üblicherweise ist der Rotor um eine Rotationsachse 6 rotationssymmetrisch ausgebildet. Der Rotor 5 umfasst mehrere Laufschaufeln 7. Das Innengehäuse 3 weist mehrere Leitschaufeln 8 auf. Zwischen dem Innengehäuse 3 und dem Rotor 5 wird ein Strömungskanal 9 ausgebildet. Ein Strömungskanal 9 umfasst mehrere Schaufelstufen, die jeweils aus einer Reihe Laufschaufeln 7 und einer Reihe Leitschaufeln 8 ausgebildet sind.
    Über den Frischdampfzuführungskanal strömt Frischdampf in eine Einströmöffnung 10 und strömt von dort aus in einer Strömungsrichtung 11 durch den Strömungskanal 9, die im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse 6 verläuft. Der Frischdampf expandiert und kühlt sich hierbei ab. Thermische Energie wird hierbei in Rotationsenergie umgewandelt. Der Rotor 5 wird in eine Drehbewegung versetzt und kann einen Generator zur elektrischen Energieerzeugung antreiben.
  • Je nach Beschaufelungstyp der Leitschaufeln 8 und Laufschaufeln 7 entsteht ein mehr oder weniger großer Schub des Rotors 5 in Strömungsrichtung 11. Üblicherweise wird ein Schubausgleichskolben 4 derart ausgebildet, dass ein Schubausgleichskolbenvorraum 12 ausgebildet wird. Durch Zuführung von Dampf in den Schubausgleichskolbenvorraum 12 entsteht eine Gegenkraft, die einer Schubkraft 13 entgegenwirkt.
  • In der Figur 2 ist ein Teilschnitt einer Dampfturbine 1 zu sehen. Im Betrieb strömt Dampf über dem nicht näher dargestellten Frischdampfzuführungskanal in den Eingangsraum 10. Die Frischdampfzuführung wird symbolisch mit dem Pfeil 13 dargestellt. Der Frischdampf hat hierbei üblicherweise Temperaturwerte bis zu 600°C und einen Druck bis zu 258 bar. Der Frischdampf strömt in der Strömungsrichtung 11 durch den Strömungskanal 9. Nach einer Schaufelstufe strömt der Dampf über eine Verbindung 14, 15, 16, die als eine kommunizierende Röhre zwischen dem Strömungskanal 9 und einem Schubausgleichkolben 4 des Rotors 5 und des Innengehäuses 3.
  • Insbesondere strömt der Dampf über einen Rückführungskanal 14, der als eine kommunizierende Röhre zwischen einem Raum 15 zwischen Innengehäuse 3 und Außengehäuse 2 und dem Strömungskanal 9 nach einer Schaufelstufe ausgebildet ist, in den Raum 15 zwischen Innengehäuse 3 und Außengehäuse 2. Der im Raum 15 zwischen Innengehäuse 3 und Außengehäuse 2 befindliche Dampf weist nun eine Temperatur um 532°C und einen Druck um 176 bar auf. Der Dampf strömt über einen Zuführungskanal 16, der als eine kommunizierende Röhre zwischen dem Raum 15 zwischen Innengehäuse 3 und Außengehäuse 2 und dem Schubausgleichskolbenvorraum 12 zwischen dem Schubausgleichskolben 4 des Rotors 5 und des Innengehäuses 3 in den Schubausgleichskolbenvorraum 12.
  • In dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Schubausgleichskolbenvorraum 12 in einer axialen Richtung 17 zwischen Schubausgleichskolben 4 und Innengehäuse 3 angeordnet. Ein in den Raum 10 strömender Frischdampf strömt zum größten Teil in Strömungsrichtung 11 in den Strömungskanal 9. Ein kleinerer Teil strömt als Leckdampf in einen Dichtraum 18. Der Leckdampf strömt hierbei im Wesentlichen in einer Gegenrichtung 19. Der Leckdampf strömt über einen Kreuz-Rückführungskanal 20, der als eine kommunizierende Röhre zwischen einem zwischen dem Dichtraum 18 zwischen dem Rotor 5 und dem Gehäuse 3 und einem nach einer Schaufelstufe angeordneten Zustromraum 26 im Strömungskanal 9 in den Strömungskanal 9. Der Kreuz-Rückführungskanal 20 ist hierbei vom Dichtraum 18 weg in im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung 11, nach einer Umlenkung 21 im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung 11 und nach einer zweiten Umlenkung 22 im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung 11 ausgebildet.
  • In einer alternativen Ausführungsform kann das Innengehäuse und Außengehäuse mit einer nicht näher dargestellten Überlasteinleitung ausgebildet werden. In die Überlasteinleitung strömt externer Dampf, der durch den Pfeil 23 symbolisiert wird.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Rückführungskanal 14 mit dem Strömungskanal 9 nach einer Rückführungs-Schaufelstufe 24 verbunden und der Kreuz-Rückführungskanal 20 ist mit dem Strömungskanal 9 nach einer Kreuz-Rückführungs-Schaufelstufe 25 verbunden. Die Kreuz-Rückführungs-Schaufelstufe 25 ist hierbei in der Strömungsrichtung 11 des Strömungskanals 9 nach der Rückführungs-Schaufelstufe 24 angeordnet.
  • In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Rückführungs-Schaufelstufe 24 die vierte Schaufelstufe und die Kreuz-Rückführungs-Schaufelstufe die fünfte Schaufelstufe.

Claims (16)

  1. Dampfturbine (1) mit einem Außengehäuse (2) und einem Innengehäuse (3),
    wobei das Außengehäuse (2) und das Innengehäuse (3) einen Frischdampfzuführungskanal (10) aufweisen,
    wobei ein einen Schubausgleichskolben (4) aufweisender Rotor (5) umfassend mehrere Laufschaufeln (7) drehgelagert innerhalb des Innengehäuses (3) angeordnet ist,
    und das Innengehäuse (3) mehrere Leitschaufeln (8) aufweist, die derart angeordnet sind, dass entlang einer Strömungsrichtung (11) ein Strömungskanal (9) mit mehreren Schaufelstufen, die jeweils eine Reihe Laufschaufeln (7) und eine Reihe Leitschaufeln (8) aufweisen, gebildet ist,
    wobei das Innengehäuse (3) eine Verbindung (14, 15, 16) aufweist, die als eine kommunizierende Röhre zwischen dem Strömungskanal (9) nach einer Schaufelstufe und einem Schubausgleichskolbenvorraum (12) zwischen dem Schubausgleichskolben (4) des Rotors (5) und des Innengehäuses (3) ausgebildet ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Innengehäuse (3) einen Kreuz-Rückführungskanal (20) aufweist, der als eine kommunizierende Röhre zwischen einem Dichtraum (18) zwischen dem Rotor (5) und dem Innengehäuse (3) und einem nach einer Schaufelstufe angeordneten Zustromraum (26) im Strömungskanal (9) ausgebildet ist.
  2. Dampfturbine (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Verbindung (14, 15, 16) einen Rückführungskanal (14) umfasst, der als eine kommunizierende Röhre zwischen einem Raum (15) zwischen Innengehäuse (3) und Außengehäuse (2) und dem Strömungskanal (9) nach einer Schaufelstufe ausgebildet ist und die Verbindung einen Zuführungskanal (16) umfasst, der als eine kommunizierende Röhre zwischen dem Raum (15) zwischen Innengehäuse (3) und Außengehäuse (2) und einem Schubausgleichskolbenvorraum (12) zwischen dem Schubausgleichskolben (4) des Rotors (5) und des Innengehäuses (3) ausgebildet ist.
  3. Dampfturbine (1) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Schubausgleichskolbenvorraum (12) in einer axialen Richtung (17) zwischen Schubausgleichskolben (4) und Innengehäuse (3) angeordnet ist.
  4. Dampfturbine (1) nach Anspruch 1,2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Rückführungskanal (14) und der Zuführungskanal (16) im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung (11) im Innengehäuse (3) ausgebildet sind und der Raum (15) zwischen Innengehäuse (3) und Außengehäuse (2) ausgebildet ist zum Verbinden des Rückführungskanals (14) mit dem zuführungskanals (16).
  5. Dampfturbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Kreuz-Rückführungskanal (20) vom Dichtraum (18) weg im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung (11), nach einer Umlenkung (21) im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung (11) und nach einer zweiten Umlenkung (22) im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung (11) ausgebildet ist.
  6. Dampfturbine (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine durch das Außengehäuse (2) und Innengehäuse (3) führende in den Zustromraum (26) mündende Überlasteinleitung (23).
  7. Dampfturbine (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Rückführungskanal (14) mit dem Strömungskanal (9) nach einer Rückführungs-Schaufelstufe (24) verbunden ist und der Kreuz-Rückführungskanal (20) mit dem Strömungskanal (9) nach einer Kreuz-Rückführungs-Schaufelstufe (25) verbunden ist,
    wobei die Kreuz-Rückführungs-Schaufelstufe (25) in der Strömungsrichtung (11) des Strömungskanals (9) nach der Rückführungs-Schaufelstufe (24) angeordnet ist.
  8. Dampfturbine (1) nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Rückführungs-Scliaufeistufe (24) die vierte Schaufel stufe und die Kreuz-Rückführungs-Schaufelstufe (25) die fünfte Schaufelstufe ist.
  9. Verfahren zum Betreiben einer Dampfturbine (1) mit einem Außengehäuse (2) und einem Innengehäuse (3),
    wobei das Außengehäuse (2) und das Innengehäuse (3) einen Frischdampfzuführungskanal (10) aufweisen,
    wobei ein einen Schubausgleichskolben (4) aufweisender Rotor (5) umfassend mehrere Laufschaufeln (7) drehgelagert innerhalb des Innengehäuses (3) angeordnet wird und an dem Innengehäuse (3) mehrere Leitschaufeln (8) derart angeordnet werden,
    dass ein Strömungskanal (9) entlang einer Strömungsrichtung (11) mit mehreren Schaufelstufen, die jeweils eine Reihe Laufschaufeln (7) und eine Reihe Leitschaufeln (8) aufweisen, ausgebildet wird, durch den im Betrieb ein Dampf strömt,
    wobei Dampf nach einer Schaufelstufe über eine Verbindung (14, 15, 16) in einen zwischen dem Schubausgleichskolben (4) des Rotors (5) und des Innengehäuses (3) befindlichen Schubausgleichskolbenvorraum (12) strömt,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein in einem zwischen Rotor (5) und Innengehäuse (3) befindlichen Dichtraum (18) befindlicher Dampf über einen Kreuz-Rückführungskanal (20) in einem nach einer Schaufelstufe angeordneten Zustromraum (26) strömt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Dampf nach der Schaufelstufe über einen im Innengehäuse (3) befindlichen Rückführungskanal (14) in einen Raum (15) zwischen Innengehäuse (3) und Außengehäuse (2) strömt und von dort über einen im Innengehäuse (3) befindlichen Zuführungskanal (16) in den zwischen dem Schubausgleichskolben (4) des Rotors (5) und des Innengehäuses (3) befindlichen Schubausgleichskolbenvorraum (12) strömt.
  11. Verfahren nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    mit dem Dampf im Schubausgleichskolbenvorraum (12) ein Schubausgleich erreicht wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein Überlastdampf über eine Überlasteinleitung (23) in den Zustromraum (26) strömt.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Dampf mit Frischdampftemperaturen zwischen 550°C bis 600°C in den Frischdampfzuführungskanal (10) strömt.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Dampf mit Temperaturen zwischen 520°C bis 550°C in den Rückführungskanal (14) strömt.
  15. Verfahren nach Anspruch 12, 13 oder 14,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Überlastdampf mit Temperaturen zwischen 550°C bis 600°C in die Überlasteinleitung (23) strömt.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Dampf mit Temperaturen zwischen 540°C bis 560°C in den Kreuz-Rückführungskanal (20) strömt.
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