EP1908926A1 - Turbomaschine - Google Patents

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Publication number
EP1908926A1
EP1908926A1 EP06021049A EP06021049A EP1908926A1 EP 1908926 A1 EP1908926 A1 EP 1908926A1 EP 06021049 A EP06021049 A EP 06021049A EP 06021049 A EP06021049 A EP 06021049A EP 1908926 A1 EP1908926 A1 EP 1908926A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
turbomachine
blade segment
control unit
housing
rotor
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06021049A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Oliver Berendt
Walter Gehringer
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
Priority to EP06021049A priority Critical patent/EP1908926A1/de
Publication of EP1908926A1 publication Critical patent/EP1908926A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current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
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/14—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing
    • F01D11/20—Actively adjusting tip-clearance
    • F01D11/22—Actively adjusting tip-clearance by mechanically actuating the stator or rotor components, e.g. moving shroud sections relative to the rotor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/50—Bearings
    • F05D2240/51—Magnetic
    • F05D2240/515—Electromagnetic

Definitions

  • the invention relates to a turbomachine with a housing having at least one conical section and a rotor with a blade segment arranged in the conical section.
  • Steam turbines are used in many areas to drive generators or work machines or in conjunction with other, steam-consuming work processes.
  • steam is generated and passed at high pressure and high temperature in the steam turbine, where it relaxes labor.
  • a number of rotor blades which are usually combined into blade groups or rows of blades, are arranged thereon, which take up energy from the hot steam and set it in motion.
  • To guide the steam in the turbine also commonly associated guide blade rows are arranged between adjacent blade rows with the turbine housing.
  • the minimum gap width is usually not in stationary operation, but at any operating point, for example, at a start-up of. Steam turbine. This circumstance means that as a compromise in the construction of the turbine, a gap width must be selected, which leads to a loss-making, larger gap in stationary operation.
  • a turbomachine of the type mentioned above which according to the invention comprises an adjusting means for adjusting an axial position of the blade segment relative to the housing during rotation of the rotor for adjusting a radial gap between the blade segment and the housing. Due to the cone shape of the housing, an axial movement of the blade segment leads to a change in the size of the radial gap.
  • the blade segment can be adjusted in its axial position after a start-up or a critical operating point to a current operating point and the radial gap thereby remain small, whereby Umströmungshne can be kept low.
  • the vane segment may include one or more rows of blades.
  • the vane segment may also be part of a subdivided shaft having components disposed thereon.
  • the turbomachine may be a steam turbine or gas turbine and designed for stationary or mobile operation, for example as an aircraft turbine.
  • the rotor has a shaft and the adjusting means is provided for adjusting an axial position of the shaft relative to the housing. It can be easily moved all the blades on the shaft, for example by means of a single actuator.
  • the shaft is advantageously rigid in itself, ie not divided into mutually movable segments.
  • An axial movement of the blade segment can be carried out with few moving components, if the turbomachine has a shaft with a thrust bearing and the adjusting means comprises at least a part of the thrust bearing. It can be used by the thrust bearing during operation possible axial adjustment of the shaft for adjusting the radial gap.
  • the thrust bearing is a magnetic bearing, an axial movement of the shaft can take place in a simple manner and without an enlargement of an oil gap or a mechanical displacement of bearing elements of the stator carrying the shaft.
  • the thrust bearing may be a lubricant bearing.
  • the bearing shell arranged in the stator can be moved with the shaft to leave an oil gap in the bearing as unchanged as possible.
  • Displaceability of the stationary bearing shell is also a rolling bearing conceivable.
  • the adjusting means has a control unit with a data memory and the control unit is provided for controlling the axial positions of the blade segment in dependence on data stored in the data memory.
  • the data stored in the data memory can be operating data, such as temperatures or speeds of the rotor and / or operating processes, such as a power-up or shutdown or a load shedding.
  • an allocation of operating points to axial positions of the blade segment is stored in the data memory and the control unit is provided for controlling the axial position of the blade segment in accordance with the assignment. It can be controlled to stored operating points such an axial position, which ensures a particularly good efficiency.
  • the radial gap can be kept large, for example at a start-up and reduced at the beginning of a continuous operation to keep Umströmungshuse small.
  • the operating points may be those of the rotor or the turbomachine.
  • the axial position of the blade segment is dictated by the mapping and may be biased to predetermined results, such as good efficiency at some operating points and high resistance to grazing by a large radial gap at other operating points.
  • the operating points may be determined by the number of revolutions of the rotor, the load on the turbomachine, a measured temperature and the like. For each operating point, the assignment advantageously provides only for an axial position of the blade segment.
  • a high level of security against scratching of the blade ends on the housing can be achieved if an allocation of critical operating points to a fixed safety position of the blade segment is stored in the data memory. Due to the safety position, a larger radial gap can be predetermined than is provided in each regular operation of the turbomachine.
  • the safety position is a single, constant axial position of the blade segment, in particular the maximum stored in the data storage axially moved out of the conical section position of the blade segment.
  • Critical operating points may be characterized by particular speed ranges, temperatures or speeds of the rotor.
  • the control unit is advantageously prepared to position the blade segment in a safety position as described above at these speed ranges. Since the efficiency at startup is not of great importance, the control unit is expediently provided for controlling a positioning of the blade segment in a safety position at a run-up of the rotor.
  • a load shedding also called Trip
  • a great security against slippage in a load shedding can be achieved if the control unit for controlling a movement of the blade segment from an operating position to an axial safety position at a Load shedding is provided.
  • the safety position as described above, there is a large radial gap, so that the runner can be given a large freedom of movement relative to the housing.
  • control unit for using a signal for initiating a load shedding to control the movement of the blade segment into the safety position.
  • the signal for initiating a load shedding may be a corresponding signal from a control center controlling the turbomachine.
  • a low-load operation that is, for example, for rotating a load-free generator, may be associated with vibrations due to increasing condensation pressures in the low-pressure part, which are risky in terms of stripping the blade ends to the housing.
  • the control unit is advantageously provided for controlling a positioning of the blade segment in a safety position in a low load operation. Under a light load operation can be understood an operation in which the turbine power is below 25% of the maximum turbine power.
  • a small gap width for achieving a high efficiency and / or a large gap width, which provides security against scratches, can be reliably maintained by a sensor for measuring a value dependent on the radial gap size, the control unit for regulating the setting in dependence on the Size is provided.
  • the measured quantity may be a vibration within the turbomachine, in particular within the last stage of the turbomachine, a temperature, in particular a temperature difference between an element the housing and an element of the rotor, a load and / or a Lastgradient.
  • FIG. 1 schematically shows a turbomachine 2 embodied as a steam turbine with a rotatably mounted rotor 4 on a shaft 6 in a stationary housing 8.
  • the shaft 6 is mounted in two radial magnetic bearings 10, 12, of which the magnetic bearing 10 is mounted on a high-pressure side 14 Magnetic bearing 12 is disposed on an exhaust steam side 16 of the steam turbine.
  • the shaft 6 On the exhaust steam side 16, the shaft 6 is guided through the housing 8.
  • the shaft 6 can also be guided on the high-pressure side 14 through the housing 8.
  • an inner housing 22 is arranged to blade rows 18 of blades 20 shown schematically.
  • magnetic thrust bearing 24 keeps the rotor 4 via the shaft 6 in the axial direction 26 in a desired position and absorbs the shearing forces generated by the steam.
  • the thrust bearing 24 can just as well on the exhaust steam side 16 be arranged.
  • a fishing camp 28 is also arranged, which is arranged in the embodiment between the magnetic bearing 10 and the thrust bearing 24.
  • Another fishing camp 30 is disposed on the exhaust steam side 16 in the flow direction of the steam behind the radial magnetic bearing 12. In case of failure of the magnetic bearings 10, 12, the shaft 6 in these backup bearings 28, 30 expire.
  • the high-pressure side 14 is closed vapor-tight with a lid 32.
  • a balance piston 34 with a labyrinth seal 36 seals the magnetic bearing 10 and the thrust bearing 24 against steam.
  • a non-contact. Shaft seal 38 seals the magnetic bearing 12 and the outer space around the turbomachine 2 against steam.
  • a schematically indicated control unit 40 with a data memory 42 is provided for controlling an operation of the turbomachine 2.
  • FIG. 2 and FIG. 3 show a detail of a conical section 44 of the housing 22, in which a blade segment 46 in the form of a row of blades 18 from FIG. 1 is shown in fragmentary form.
  • the blade row 18 has a plurality of rotor blades 20, each with a blade end 48, which is spaced from a respective radial gap 50 of the same width 52 from the housing 22.
  • a magnetic sensor 54 is connected to the control unit 40 and serves to measure a magnetic quantity which is in clear relation to the width 52 of the radial gap 50.
  • live steam passes via a feed 56 from a Einströmkasten not shown with control valves in a housing 8 surrounded by the steam chamber and meets via nozzles 58 on an impeller 60. From there, the steam flows through individual stages, each consisting of a number of stationary vanes 62 and a number of rotor 4 belonging to the rotor blades 20 are constructed. The blades 20 and vanes 62 are made larger and longer from stage to stage because of the Working steam is released, thereby increasing its volume.
  • the expanded steam flows through a steam exhaust pipe 64 and is either initially used as process steam or fed directly to a capacitor, not shown.
  • the radial gap 50 is kept in its width 52 in the lower millimeter range and thus small and is monitored by the sensor 54 in connection with the control unit 40 to its width 52 out. In this small width 52, only small Umströmungshnee occur.
  • the turbomachine When starting the turbomachine 2 occur at certain speeds of the rotor 4 vibrations, whereby the gap width of the radial gap 50 briefly shrinks. In addition, the blades 20 heat faster than the housing 22, so that they extend over the housing 22 more. This also reduces the gap width.
  • the turbomachine includes adjustment means 66 for adjusting an axial position of the blade segment 46, which includes both the magnetic thrust bearing 24 and the control unit 40. From the control unit 40, the thrust bearing 24 is driven such that it exerts a greater force in the direction shown in FIG 1 to the right axial direction 26 on the shaft 6, so that the shaft 6 and with her all blades 20 by a length .DELTA.x far out of the conical portion 44 of the housing 22 is pushed out.
  • the blade ends 48 are axially displaced by the length .DELTA.x and remove according to the taper of the portion 44 by a length .DELTA.y from the housing 22, as shown in FIG 3 in comparison to FIG.
  • the enlarged by several millimeters width 52 'of the radial gap 50 leads to a high security against scratching of the blade ends 48 on the housing 22nd
  • the axial bearing 24 is again activated in such a way that that it pulls the shaft 6 in the axial direction 26 in the cone of the portion 44, whereby the radial gap 50 is adapted in its width 52 again to a low-loss operation.
  • An assignment 70 stored in the data memory 42 from operating points 68 to axial positions 82 of the blade segment 46 is shown schematically in FIG.
  • all operating points 68 achievable with the turbomachine 2 are listed in the form of small parameter ranges as a function of a plurality of operating parameters in a multi-dimensional parameter space 74.
  • the parameters include, among others, the speed and load of the rotor 4, a vibration in the largest stage of the rotor 4, and a rotor temperature and a case temperature.
  • the parameter space 74 for clarifying the principle of the assignment 70 is shown in only two-dimensional form, that is to say only as a function of two parameters 76, 78.
  • each operating parameter 68 is assigned an axial position 82 by a unique assignment rule 84, for example a mathematical equation system or a multidimensional table.
  • the control unit 40 controls the axial bearing 24 in such a way that the assigned axial position 82 is reached and thus a predetermined width 52 of the radial gap 50 is set.
  • the width 52 is monitored and the axial actual position is readjusted via a control of the predetermined axial position 82 initiated by the control unit.
  • Some operating points 86, 88, 90 are assigned as axial position a safety position 92, which is indicated on the results page 80 of the assignment 70 by hatched areas. If such an operating point 86, 88, 90 is reached by the turbomachine 2, the positioning becomes the shaft 6 is controlled by the control unit 40 in such a position, which is in the assignment 70 the most pushed out of the conical section position.
  • all safety positions 92 are the same.
  • Some of these operating points 88 are in a fixed low load range.
  • Other such operating points 90 are in a range of very high rotor speeds.
  • Still other such operating points 86 are in parameter ranges in which empirically a high swing of rotor parts or of the rotor 4 as a whole was determined.
  • the assignment 70 on the source side 72 includes a number of modes of operation 94, 96, 98, each comprising many operating points, each associated as an entity with an axial position 100 or the safety position 92.
  • Such an operating mode 94 is a start-up of the turbomachine 2, during which the shaft 6 and with it the blade ends 48 are held in the safety position 92.
  • Another such mode of operation 98 is load shedding, which also results in positioning of the shaft 6 in the safety position 92.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Control Of Turbines (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine (2) mit einem zumindest einen konischen Abschnitt (44) aufweisenden Gehäuse (22) und einem Läufer (4) mit einem im konischen Abschnitt (44) angeordneten Schaufelsegment (46). Um geringe Wirkungsgradverluste durch Umströmung der Laufschaufelenden zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass die Turbomaschine (2) ein Einstellmittel (66) zum Einstellen einer axialen Position (82, 100) des Schaufelsegments (46) relativ zum Gehäuse (22) während einer Rotation des Läufers (4) umfasst zum Einstellen eines Radialspalts (50) zwischen dem Schaufelsegment (46) und dem Gehäuse (22).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine mit einem zumindest einen konischen Abschnitt aufweisenden Gehäuse und einem Läufer mit einem im konischen Abschnitt angeordneten Schaufelsegment.
  • Dampfturbinen werden in vielen Bereichen zum Antrieb von Generatoren oder Arbeitsmaschinen oder in Verbindung mit anderen, Dampf verbrauchenden Arbeitsprozessen eingesetzt. Zum Antrieb einer Dampfturbine wird Dampf erzeugt und mit hohem Druck und hoher Temperatur in die Dampfturbine geführt, wo er sich Arbeit leistend entspannt. Zur Erzeugung der Rotationsbewegung der Turbinenwelle sind an dieser eine Anzahl von üblicherweise in Schaufelgruppen oder Schaufelreihen zusammengefassten Laufschaufeln angeordnet, die Energie aus dem Heißdampf aufnehmen und in Bewegung umsetzen. Zur Führung des Dampfs in der Turbine sind zudem üblicherweise zwischen benachbarten Laufschaufelreihen mit dem Turbinengehäuse verbundene Leitschaufelreihen angeordnet.
  • Bei der Auslegung von Dampfturbinen ist neben einer hohen erreichbaren Leistung ein hoher Wirkungsgrad ein Auslegungsziel. Ein hoher Wirkungsgrad kann erreicht werden, wenn Strömungsverluste gering gehalten werden. Zu den Verlusten tragen Querströmungen von Dampf zwischen dem Gehäuse und den äußeren Enden der Laufschaufeln, mithin über die Laufschaufelspitzen hinweg, bei. Diese Anteile des Dampfs leisten keinen Beitrag zum Antrieb der Turbinenwelle. Daher wird üblicherweise angestrebt, die Spalte zwischen den äußeren Enden der Laufschaufeln und dem Turbinengehäuse möglichst gering zu halten.
  • Aufgrund einer unterschiedlichen zeitlichen Erwärmung, insbesondere bei einem schnellen Hochfahren der Dampfturbine, findet eine ungleichen Ausdehnung von Gehäuse, Leitschaufeln, Laufschaufeln und Turbinenwelle sowohl in radialer als auch in axialer Richtung und in Bezug zueinander statt. Daher kann eine für einen Dauerbetrieb der Dampfturbine optimale, also geringe Spaltbreite nicht ursprünglich eingestellt werden. Die Mindestspaltbreite liegt in der Regel nicht im stationären Betrieb vor, sondern in irgendeinem Betriebspunkt, beispielsweise bei einem Hochfahren der. Dampfturbine. Dieser Umstand führt dazu, dass als Kompromiss beim Aufbau der Turbine eine Spaltbreite gewählt werden muss, die im stationären Betrieb einen verlustbringenden, größeren Spalt nach sich zieht.
  • Zur Verlustverminderung durch Verringerung des Spalts zwischen dem Gehäuse und den äußeren Enden der Laufschaufeln können einerseits gezielte Maßnahmen, wie Versteifungen des Gehäuses oder eine Anpassung von Aufhängungen der Laufschaufeln vorgesehen werden. Aus der EP 1 329 594 A1 ist bekannt, jede Laufschaufelreihe von einem Führungsring zu umgeben, der zur Beeinflussung seiner thermischen Ausdehnung mit einem Steuermedium beaufschlagbar ist.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Turbomaschine mit geringen Wirkungsgradverlusten durch Umströmung der Laufschaufelenden anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Turbomaschine der Eingangs genannten Art gelöst, die erfindungsgemäß ein Einstellmittel zum Einstellen einer axialen Position des Schaufelsegments relativ zum Gehäuse während einer Rotation des Läufers aufweist zum Einstellen eines Radialspalts zwischen dem Schaufelsegment und dem Gehäuse. Durch die Konusform des Gehäuses führt eine axiale Bewegung des Schaufelsegments zu einer Veränderung der Größe des Radialspalts. Das Schaufelsegment kann in seiner axialen Position nach einem Hochfahren oder einem kritischen Betriebspunkt an einen momentanen Betriebspunkt angepasst und der Radialspalt hierdurch klein bleiben, wodurch Umströmungsverluste gering gehalten werden können.
  • Das Schaufelsegment kann eine oder mehrere Laufschaufelreihen umfassen. Das Schaufelsegment kann außerdem ein Teil einer unterteilten Welle mit daran angeordneten Komponenten sein. Die Turbomaschine kann eine Dampfturbine oder Gasturbine sein und für den stationären oder mobilen Betrieb, beispielsweise als Flugzeugturbine, konstruiert sein. Durch die Einstellung der axialen Position während einer Rotation des Läufers kann das Schaufelsegment während eines Betriebs des Läufers bzw. der Turbomaschine in Axialrichtung positioniert und somit der Radialspalt während dieses Betriebs eingestellt werden.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Läufer eine Welle auf und das Einstellmittel ist zum Einstellen einer axialen Position der Welle relativ zum Gehäuse vorgesehen. Es können auf einfache Weise alle Schaufeln auf der Welle beispielsweise mit Hilfe eines einzigen Aktors bewegt werden. Die Welle ist vorteilhafterweise in sich starr, also nicht unterteilt in zueinander bewegliche Segmente.
  • Eine axiale Bewegung des Schaufelsegments kann mit wenigen beweglichen Komponenten durchgeführt werden, wenn die Turbomaschine eine Welle mit einem Axiallager aufweist und das Einstellmittel zumindest einen Teil des Axiallagers umfasst. Es kann eine durch das Axiallager während des Betriebs mögliche axiale Verstellung der Welle zur Einstellung des Radialspalts genutzt werden.
  • Ist das Axiallager ein Magnetlager, so kann eine axiale Bewegung der Welle auf einfache Weise und ohne eine Vergrößerung eines Ölspalts oder ein mechanisches Verschieben von Lagerelementen des die Welle tragenden Stators erfolgen. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann das Axiallager ein Schmiermittellager sein. Bei einem Verschieben der Welle kann hierbei die im Stator angeordnete Lagerschale mit der Welle verschoben werden, um einen Ölspalt im Lager möglichst unverändert zu belassen. Mit gleicher Verschiebbarkeit der ruhenden Lagerschale ist auch ein Wälzlager denkbar.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Einstellmittel eine Steuereinheit mit einem Datenspeicher auf und die Steuereinheit ist zur Steuerung der axialen Positionen des Schaufelsegments in Abhängigkeit von im Datenspeicher hinterlegten Daten vorgesehen. So kann bei der Positionierung auf beispielsweise empirisch ermittelte Erfahrungen zu vorteilhaften axialen Positionen zurückgegriffen werden und die Steuereinheit kann eine dementsprechende Positionierung des Schaufelsegements steuern. Die im Datenspeicher hinterlegten Daten können Betriebsdaten, wie Temperaturen oder Drehzahlen des Läufers sein und/oder Betriebsprozesse, wie ein Hoch- oder Herunterfahren oder ein Lastabwurf.
  • Zweckmäßigerweise ist im Datenspeicher eine Zuordnung von Betriebspunkten zu axialen Positionen des Schaufelsegments hinterlegt und die Steuereinheit ist zur Steuerung der axialen Position des Schaufelsegments entsprechend der Zuordnung vorgesehen. Es kann zu abgespeicherten Betriebspunkten eine solche axiale Position angesteuert werden, die einen besonders guten Wirkungsgrad gewährleistet. So kann der Radialspalt z.B. bei einem Hochfahren groß gehalten werden und zu Beginn eines Dauerbetriebs verringert werden, um Umströmungsverluste gering zu halten. Die Betriebspunkte können solche des Läufers bzw. der Turbomaschine sein. Die axiale Position des Schaufelsegments ist durch die Zuordnung vorgegeben und kann auf vorher festgelegte Ergebnisse ausgerichtet sein, wie einen guten Wirkungsgrad bei einigen Betriebspunkten und einer hohen Sicherheit gegen Anstreifen durch einen großen Radialspalt bei anderen Betriebspunkten. Die Betriebspunkte können durch die Drehzahl des Läufers, die Last an der Turbomaschine, eine gemessene Temperatur und dergleichen bestimmt sein. Pro Betriebspunkt sieht die Zuordnung vorteilhafterweise nur eine axiale Position des Schaufelsegments vor.
  • Eine hohe Sicherheit gegen ein Anstreifen der Schaufelenden am Gehäuse kann erreicht werden, wenn im Datenspeicher eine Zuordnung von kritischen Betriebspunkten zu einer festen Sicherheitsposition des Schaufelsegments hinterlegt ist. Durch die Sicherheitsposition kann ein größerer Radialspalt vorgegeben sein, als in jedem regulären Betrieb der Turbomaschine vorgesehen ist.
  • Zweckmäßigerweise ist die Sicherheitsposition eine einzige, konstante axiale Position des Schaufelsegments, insbesondere die maximale im Datenspeicher hinterlegte axial aus dem konischen Abschnitt herausbewegte Position des Schaufelsegments. Kritische Betriebspunkte können durch besondere Drehzahlbereiche, Temperaturen oder Drehzahlen des Läufers auszeichnen.
  • Während eine Hochfahrens der Turbomaschine durchläuft der Läufer Drehzahlbereiche, die hinsichtlich einer Vibration einzelner Teile der Turbomaschine kritisch sein können. Um bei diesen Drehzahlen ein Anstreifen der Schaufelenden am Gehäuse sicher zu verhindern, ist die Steuereinheit vorteilhafterweise dazu vorbereitet, bei diesen Drehzahlbereichen eine Positionierung des Schaufelsegments in eine wie oben beschriebene Sicherheitsposition vorzunehmen. Da der Wirkungsgrad bei einem Hochfahren nicht vor großer Bedeutung ist, ist die Steuereinheit zweckmäßigerweise zur Steuerung einer Positionierung des Schaufelsegments in eine Sicherheitsposition bei einem Hochfahren des Läufers vorgesehen.
  • Bei einem Lastabwurf, auch Trip genannt, kommt es zu starken Kräfteänderungen innerhalb der Turbomaschine, die zu größeren radialen Bewegungen des Läufers zum Gehäuse führen kann. Eine große Sicherheit gegen ein Anstreifen bei einem Lastabwurf kann erreicht werden, wenn die Steuereinheit zur Steuerung einer Bewegung des Schaufelsegments aus einer Betriebsposition in eine axiale Sicherheitsposition bei einem Lastabwurf vorgesehen ist. In der Sicherheitsposition liegt, wie oben beschrieben, ein großer Radialspalt vor, so dass dem Läufer eine große Bewegungsfreiheit relativ zum Gehäuse verschafft werden kann.
  • Hierbei kann eine einfache und schnelle Steuerung der Bewegung in die Sicherheitsposition erreicht werden, wenn die Steuereinheit zur Verwendung eines Signals zum Einleiten eines Lastabwurfs zur Steuerung der Bewegung des Schaufelsegments in die Sicherheitsposition vorgesehen ist. Das Signal zum Einleiten eines Lastabwurfs kann ein entsprechendes Signal von einer die Turbomaschine kontrollierenden Leitstelle sein.
  • Ein Schwachlastbetrieb, also beispielsweise zum Drehen eines lastfreien Generators, kann aufgrund von steigenden Kondensationsdrücken im Niederdruckteil mit Schwingungen verbunden sein, die hinsichtlich eines Anstreifens der Schaufelenden an das Gehäuse risikoreich sind. Zur Eliminierung eines solchen Risikos ist die Steuereinheit vorteilhafterweise zur Steuerung einer Positionierung des Schaufelsegments in eine Sicherheitsposition bei einem Schwachlastbetrieb vorgesehen.
    Unter einem Schwachlastbetrieb kann ein Betrieb verstanden werden, bei dem die Turbinenleistung unterhalb von 25% der maximalen Turbinenleistung liegt.
  • Eine kleine Spaltbreite zum Erzielen eines hohen Wirkungsgrads und/oder eine große Spaltbreite, die Sicherheit gegen Anstreifen verschafft, kann zuverlässig durch einen Sensor zur Messung einer mit dem Radialspalt in Abhängigkeit stehenden Größe eingehalten werden, wobei die Steuereinheit zur Regelung der Einstellung in Abhängigkeit von der Größe vorgesehen ist. Die gemessene Größe kann eine Schwingung innerhalb der Turbomaschine sein, insbesondere innerhalb der letzten Stufe der Turbomaschine, eine Temperatur, insbesondere ein Temperaturunterschied zwischen einem Element des Gehäuse und einem Element des Läufers, eine Last und/oder ein Lastgradient.
  • Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind.
  • Es zeigen:
    • FIG 1 eine ölfreie Turbomaschine mit Magnetlagern und einem konischen Gehäuse in einer Schnittdarstellung,
    • FIG 2 einen Radialspalt zwischen dem Gehäuse und einem Schaufelende einer Schaufel der Turbomaschine aus FIG 1,
    • FIG 3 einen durch eine axiale Verschiebung des Schaufelendes vergrößerten Radialspalt und
    • FIG 4 ein Schema einer in einem Datenspeicher der Turbomaschine hinterlegten Zuordnung von Betriebspunkten zu axialen Positionen der Schaufel.
  • FIG 1 zeigt schematisch eine als Dampfturbine ausgeführte Turbomaschine 2 mit einem drehbar gelagerten Läufer 4 auf einer Welle 6 in einem feststehenden Gehäuse 8. Die Welle 6 ist in zwei radialen Magnetlagern 10, 12 gelagert, von denen das Magnetlager 10 auf einer Hochdruckseite 14 und das Magnetlager 12 auf einer Abdampfseite 16 der Dampfturbine angeordnet ist. Auf der Abdampfseite 16 ist die Welle 6 durch das Gehäuse 8 hindurch geführt. Generell kann die Welle 6 auch auf der Hochdruckseite 14 durch das Gehäuse 8 hindurch geführt sein. Um schematisch dargestellte Schaufelreihen 18 von Laufschaufeln 20 ist ein inneres Gehäuse 22 angeordnet.
  • Ein im Ausführungsbeispiel auf der Hochdruckseite 14 angeordnetes magnetisches Axiallager 24 hält den Läufer 4 über die Welle 6 in axialer Richtung 26 in einer gewünschten Position und nimmt vom Dampf erzeugte Schubkräfte auf. Das Axiallager 24 kann ebenso gut auf der Abdampfseite 16 angeordnet sein. Auf der Hochdruckseite 14 ist außerdem ein Fanglager 28 angeordnet, das im Ausführungsbeispiel zwischen dem Magnetlager 10 und dem Axiallager 24 angeordnet ist. Ein weiteres Fanglager 30 ist auf der Abdampfseite 16 in Strömungsrichtung des Dampfs hinter dem radialen Magnetlager 12 angeordnet. Bei einem Ausfall der Magnetlager 10, 12 kann die Welle 6 in diesen Fanglagern 28, 30 auslaufen.
  • Die Hochdruckseite 14 ist mit einem Deckel 32 dampfdicht verschlossen. Ein Ausgleichskolben 34 mit einer Labyrinthdichtung 36 dichtet das Magnetlager 10 und das Axiallager 24 gegen Dampf ab. Eine berührungsfreie. Wellendichtung 38 dichtet das Magnetlager 12 und den Außenraum um die Turbomaschine 2 gegen Dampf ab. Eine schematisch angedeutete Steuereinheit 40 mit einem Datenspeicher 42 ist zum Steuern eines Betriebs der Turbomaschine 2 vorgesehen.
  • FIG 2 und FIG 3 zeigen einen Ausschnitt aus einem konischen Abschnitt 44 des Gehäuses 22, in dem ein Schaufelsegment 46 in Form einer Schaufelreihe 18 aus FIG 1 ausschnittsweise dargestellt ist. Die Schaufelreihe 18 weist mehrere Laufschaufeln 20 mit jeweils einem Schaufelende 48 auf, das jeweils von einem Radialspalt 50 gleicher Breite 52 vom Gehäuse 22 beabstandet ist. Ein magnetischer Sensor 54 ist mit der Steuereinheit 40 verbunden und dient zum Messen einer magnetischen Größe, die in einem eindeutigen Verhältnis zur Breite 52 des Radialspalts 50 steht.
  • Beim Betrieb der Turbomaschine 2 gelangt Frischdampf über eine Zuführung 56 aus einem nicht dargestellten Einströmkasten mit Stellventilen in einen vom Gehäuse 8 umgebenen Dampfraum und trifft über Düsen 58 auf ein Laufrad 60. Von dort strömt der Dampf durch einzelne Stufen, die jeweils aus einer Anzahl von feststehenden Leitschaufeln 62 und einer Anzahl von zum Läufer 4 gehörenden Laufschaufeln 20 aufgebaut sind. Die Laufschaufeln 20 und Leitschaufeln 62 sind von Stufe zu Stufe größer und länger ausgeführt, da der Arbeit leistende Dampf entspannt wird und dadurch sein Volumen vergrößert. Der entspannte Dampf durchströmt einen Abdampfstutzen 64 und wird entweder zunächst als Prozessdampf genutzt oder direkt einem nicht dargestellten Kondensator zugeführt.
  • Während eines Dauerbetriebs der Turbomaschine 2 ist der Radialspalt 50 in seiner Breite 52 im unteren Millimeterbereich und somit klein gehalten und wird durch den Sensor 54 in Verbindung mit der Steuereinheit 40 auf seine Breite 52 hin überwacht. Bei dieser geringen Breite 52 treten nur geringe Umströmungsverluste auf.
  • Bei einem Anfahren der Turbomaschine 2 treten bei bestimmten Drehzahlen des Läufers 4 Schwingungen auf, wodurch die Spaltbreite des Radialspalts 50 kurzzeitig schrumpft. Außerdem erwärmen sich die Laufschaufeln 20 schneller als das Gehäuse 22, so dass sie sich gegenüber dem Gehäuse 22 mehr ausdehnen. Auch hierdurch wird die Spaltbreite verringert. Zum Ausgleich dieser Verringerungen umfasst die Turbomaschine ein Einstellmittel 66 zum Einstellen einer axialen Position des Schaufelsegments 46, das sowohl das magnetische Axiallager 24 als auch die Steuereinheit 40 umfasst. Von der Steuereinheit 40 wird das Axiallager 24 derart angesteuert, dass es eine größere Kraft in die in FIG 1 nach rechts gerichtete Axialrichtung 26 auf die Welle 6 ausübt, so dass die Welle 6 und mit ihr alle Laufschaufeln 20 um eine Länge Δx weit aus dem konischen Abschnitt 44 des Gehäuses 22 herausgedrückt wird. Hierdurch werden die Schaufelenden 48 um die Länge Δx axial verschoben und entfernen sich entsprechend der Konizität des Abschnitts 44 um eine Länge Δy vom Gehäuse 22, wie in FIG 3 im Vergleich zu FIG 2 dargestellt ist. Die um mehrere Millimeter vergrößerte Breite 52' des Radialspalts 50 führt zu einer hohen Sicherheit gegen ein Anstreifen der Schaufelenden 48 am Gehäuse 22.
  • Erreicht die Turbomaschine 2 einen ruhigen Betriebspunkt 68 (FIG 4), so wird das Axiallager 24 wieder derart angesteuert, dass es die Welle 6 in Axialrichtung 26 in den Konus des Abschnitts 44 hinein zieht, wodurch der Radialspalt 50 in seiner Breite 52 wieder an einen verlustarmen Betrieb angepasst wird.
  • Eine im Datenspeicher 42 hinterlegte Zuordnung 70 von Betriebspunkten 68 zu axialen Positionen 82 des Schaufelsegments 46 ist in FIG 4 schematisch dargestellt. Auf einer Quellenseite 72 der Zuordnung 70 sind alle mit der Turbomaschine 2 erreichbaren Betriebspunkte 68 in Form von kleinen Parameterbereichen in Abhängigkeit von mehreren Betriebsparametern in einem mehrdimensionalen Parameterraum 74 aufgeführt. Die Parameter sind unter Anderem die Drehzahl und Last des Läufers 4, eine Schwingung in der größten Stufe des Läufers 4 sowie eine Läufertemperatur und eine Gehäusetemperatur. In FIG 4 ist der Parameterraum 74 zur Verdeutlichung des Prinzips der Zuordnung 70 in nur zweidimensionaler Form, also nur in Abhängigkeit von zwei Parametern 76, 78 dargestellt.
  • Auf einer Ergebnisseite 80 der Zuordnung 70 ist jedem Betriebsparameter 68 eine axiale Position 82 durch eine eindeutige Zuordnungsvorschrift 84, beispielsweise ein mathematisches Gleichungssystem oder eine mehrdimensionale Tabelle, zugeordnet. Je nachdem in welchem Betriebspunkt 68 sich die Turbomaschine 2 befindet steuert die Steuereinheit 40 das Axiallager 24 so an, dass die zugeordnete axiale Position 82 erreicht und damit eine vorgegebene Breite 52 des Radialspalts 50 eingestellt wird. Mit Hilfe des Sensors 54 wird die Breite 52 überwacht und die axiale Ist-Position wird über eine durch die Steuereinheit veranlasste Regelung der vorgegebenen axialen Position 82 nachgeregelt.
  • Einigen Betriebspunkten 86, 88, 90 ist als axiale Position eine Sicherheitsposition 92 zugewiesen, die auf der Ergebnisseite 80 der Zuordnung 70 durch schraffierte Bereiche angedeutet ist. Wird von der Turbomaschine 2 ein solcher Betriebspunkt 86, 88, 90 erreicht, so wird die Positionierung der Welle 6 von der Steuereinheit 40 in eine solche Position gesteuert, die die in der Zuordnung 70 die am weitesten aus dem konischen Abschnitt herausgeschobene Position ist. Hierbei sind alle Sicherheitspositionen 92 gleich. Einige dieser Betriebspunkte 88 liegen in einem festgelegten Schwachlastbereich. Andere solcher Betriebspunkte 90 liegen in einem Bereich sehr hoher Läuferdrehzahlen. Wieder andere solche Betriebspunkte 86 sind in Parameterbereichen, in denen empirisch ein hohes Schwingen von Läuferteilen oder vom Läufer 4 als ganzes ermittelt wurde.
  • Zusätzlich umfasst die Zuordnung 70 auf der Quellenseite 72 eine Anzahl Betriebsmodi 94, 96, 98, die jeweils viele Betriebspunkte umfassen und jeweils als Ganzes einer axialen Position 100 oder der Sicherheitsposition 92 zugeordnet sind. Ein solcher Betriebsmodus 94 ist ein Hochfahren der Turbomaschine 2, während dessen die Welle 6 und mit ihr die Schaufelenden 48 in der Sicherheitsposition 92 gehalten werden. Ein anderer solcher Betriebsmodus 98 ist ein Lastabwurf, der ebenfalls zu einer Positionierung der Welle 6 in der Sicherheitsposition 92 führt. Hierbei kann die Positionierung über die Zuordnung 70 wie beschrieben erfolgen, oder direkt über ein Trip-Signal aus einer Leitstelle, das den Lastabwurf einleitet. Dieses Trip-Signal wird unmittelbar zur Positionierung der Welle 6 in der Sicherheitsposition 92 verwendet, um schnellstmöglich und fehlerunanfällig einen größtmöglichen Radialspalt 50 zwischen den Schaufelenden 48 und dem Gehäuse 22 zu erreichen.
    • Bezugszeichenliste
    • 2
    Turbomaschine
    4
    Läufer
    6
    Welle
    8
    Gehäuse
    10
    Magnetlager
    12
    Magnetlager
    14
    Hochdruckseite
    16
    Abdampfseite
    18
    Schaufelreihe
    20
    Laufschaufel
    22
    Gehäuse
    24
    Axiallager
    26
    Richtung
    28
    Fanglager
    30
    Fanglager
    32
    Deckel
    34
    Ausgleichskolben
    36
    Labyrinthdichtung
    38
    Wellendichtung
    40
    Steuereinheit
    42
    Datenspeicher
    44
    Abschnitt
    46
    Schaufelsegment
    48
    Schaufelende
    50
    Radialspalt
    52
    Breite
    52'
    Breite
    54
    Sensor
    56
    Zuführung
    58
    Düse
    60
    Laufrad
    62
    Leitschaufel
    64
    Abdampfstutzen
    66
    Einstellmittel
    68
    Betriebspunkt
    70
    Zuordnung
    72
    Quellenseite
    74
    Parameterraum
    76
    Parameter
    78
    Parameter
    80
    Ergebnisseite
    82
    Position
    84
    Zuordnungsvorschrift
    86
    Betriebspunkt
    88
    Betriebspunkt
    90
    Betriebspunkt
    92
    Sicherheitsposition
    94
    Betriebsmodus
    96
    Betriebsmodus
    98
    Betriebsmodus
    100
    Position

Claims (12)

  1. Turbomaschine (2) mit einem zumindest einen konischen Abschnitt (44) aufweisenden Gehäuse (22) und einem Läufer (4) mit einem im konischen Abschnitt (44) angeordneten Schaufelsegment (46),
    gekennzeichnet durch
    ein Einstellmittel (66) zum Einstellen einer axialen Position (82, 100) des Schaufelsegments (46) relativ zum Gehäuse (22) während einer Rotation des Läufers (4) zum Einstellen eines Radialspalts (50) zwischen dem Schaufelsegment (46) und dem Gehäuse (22).
  2. Turbomaschine (2) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Läufer (4) eine Welle (6) aufweist und das Einstellmittel (66) zum Einstellen einer axialen Position (82, 100) der Welle (6) relativ zum Gehäuse (22) vorgesehen ist.
  3. Turbomaschine (2) nach Anspruch 1 oder 2,
    gekennzeichnet durch
    eine Welle (6) mit einem Axiallager (24), wobei das Einstellmittel (66) zumindest einen Teil des Axiallagers (24) umfasst.
  4. Turbomaschine (2) nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Axiallager (24) ein Magnetlager ist.
  5. Turbomaschine (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Einstellmittel (66) eine Steuereinheit (40) mit einem Datenspeicher (42) aufweist und die Steuereinheit (40) zur Steuerung der axialen Positionen (82, 100) des Schaufelsegments (46) in Abhängigkeit von im Datenspeicher (42) hinterlegten Daten vorbereitet ist.
  6. Turbomaschine (2) nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    im Datenspeicher (42) eine Zuordnung von Betriebspunkten (68, 86, 88, 90) zu axialen Positionen (82) des Schaufelsegments (46) hinterlegt ist und die Steuereinheit (40) zur Steuerung der axialen Position (82) des Schaufelsegments (46) entsprechend der Zuordnung vorgesehen ist.
  7. Turbomaschine (2) nach Anspruch 5 oder 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    im Datenspeicher (42) eine Zuordnung von kritischen Betriebspunkten (86, 88, 90) zu einer festen Sicherheitsposition (92) des Schaufelsegments (46) hinterlegt ist.
  8. Turbomaschine (2) nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Steuereinheit (40) zur Steuerung einer Positionierung des Schaufelsegments (46) in eine Sicherheitsposition (92) bei einem Hochfahren des Läufers (4) vorgesehen ist.
  9. Turbomaschine (2) nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Steuereinheit (40) zur Steuerung einer Bewegung des Schaufelsegments (46) aus einer Betriebsposition in eine axiale Sicherheitsposition (92) bei einem Lastabwurf vorgesehen ist.
  10. Turbomaschine (2) nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Steuereinheit (40) zur Verwendung eines Signals zum Einleiten eines Lastabwurfs zur Steuerung der Bewegung des Schaufelsegments (46) in die Sicherheitsposition (92) vorgesehen ist.
  11. Turbomaschine (2) nach einem der Ansprüche 5 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Steuereinheit (40) zur Steuerung einer Positionierung des Schaufelsegments (46) in eine Sicherheitsposition (92) bei einem Schwachlastbetrieb vorgesehen ist.
  12. Turbomaschine (2) nach einem der Ansprüche 5 bis 11,
    gekennzeichnet durch
    einen Sensor (54) zur Messung einer mit dem Radialspalt (50) in Abhängigkeit stehenden Größe, wobei die Steuereinheit (40) zur Regelung der Einstellung in Abhängigkeit von der Größe vorgesehen ist.
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