EP1945911A1 - Dampfturbine - Google Patents

Dampfturbine

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Publication number
EP1945911A1
EP1945911A1 EP06819128A EP06819128A EP1945911A1 EP 1945911 A1 EP1945911 A1 EP 1945911A1 EP 06819128 A EP06819128 A EP 06819128A EP 06819128 A EP06819128 A EP 06819128A EP 1945911 A1 EP1945911 A1 EP 1945911A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
steam
turbine
steam turbine
line
cooling
Prior art date
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Granted
Application number
EP06819128A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1945911B1 (de
Inventor
Kai Wieghardt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to PL06819128T priority Critical patent/PL1945911T3/pl
Priority to EP06819128A priority patent/EP1945911B1/de
Publication of EP1945911A1 publication Critical patent/EP1945911A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1945911B1 publication Critical patent/EP1945911B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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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
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/08—Heating, heat-insulating or cooling means
    • F01D5/085—Heating, heat-insulating or cooling means cooling fluid circulating inside the rotor
    • 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
    • F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
    • F01D25/12—Cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
    • 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
    • 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
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/232—Heat transfer, e.g. cooling characterized by the cooling medium
    • F05D2260/2322—Heat transfer, e.g. cooling characterized by the cooling medium steam

Definitions

  • the invention relates to a steam turbine having a housing, wherein a turbine shaft having a thrust balance piston rotatably mounted within the housing and directed ent ⁇ long a rotation axis, wherein a flow ⁇ channel is formed between the housing and the turbine shaft, wherein the turbine shaft in its interior a Hasdelei ⁇ tion for guiding cooling steam in the direction of the axis of rotation and the cooling line is connected to at least one Zuströmlei ⁇ tion for the inflow of cooling steam from the flow channel in the cooling line.
  • 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 with gas and / or air are considered as
  • a steam turbine typically includes a vaned rotatably mounted rotor disposed within a casing shell.
  • the rotor-mounted blades are also referred to as blades.
  • stationary guide vanes are usually attached to the housing jacket , which blades engage in the intermediate spaces of the rotor blades.
  • a guide vane is usually maintained at a first location along an inside of the steam turbines ⁇ nengephaseuses. In this case, it is usually part of a vane ring, which comprises a number of vanes, which are arranged along an inner circumference on the inside of the steam turbine housing. In this case, each Leit ⁇ blade with its blade radially inward.
  • a vane ring at a location along the axial extent is also referred to as a vane row. Usually, a number of vane rows are arranged one behind the other.
  • the steam turbine shafts which are rotatably mounted in the steam turbines, are subject to high thermal stresses during operation.
  • the de ⁇ development and production of a steam turbine shaft is both expensive and time consuming.
  • Steam turbine shafts are considered to be the most stressed and expensive components of a steam turbine. This increasingly applies to high steam temperatures.
  • Load changes to a large degree on the speed of the steam ⁇ turbine shaft to respond to thermally altered conditions depends.
  • the temperature is monitored by default, which is complex and costly.
  • steam turbines in contrast to the gas turbine, have no compressor unit and, moreover, the shafts of the steam turbine are generally accessible only radially.
  • Piston area is to be understood as the area of a thrust balance piston.
  • the thrust balance piston acts in a steam turbine such that caused by the working fluid force the shaft is formed in one direction a counter force in the opposite direction.
  • Cooling of a steam turbine shaft is described inter alia in EP 0 991 850 Bl.
  • a compact ⁇ or high-pressure and medium-pressure turbine section through a Ver ⁇ bond in the shaft through which a cooling medium can flow executed.
  • Zvi ⁇ rule two different expansion sections no rule-rer bypass can be formed.
  • Prob ⁇ lems are possible in transient operation.
  • the object of the invention is therefore to provide a steam turbine ⁇ admit that can be operated at high steam temperatures.
  • the steam turbine with a return line for returning a mixed vapor, formed from the cooling steam and a Ausreteskolbenleck- steam formed the return flows into the Strömungska ⁇ nal.
  • a steam turbine with a steam turbine shaft which is hollow in the hot during the operation ⁇ chen each and is provided with an internal cooling.
  • the invention is based on the aspect that during operation expanded steam is guided through the shaft inside to equal piston ⁇ and there cools the thermally highly stressed compensating piston.
  • the proposed cooling option it is possible, in particular, to cool those steam turbine shafts which have a compensating piston.
  • the invention is based on the aspect that the cooling ⁇ steam is mixed with a compensating piston leakage steam and this mixed steam formed back ⁇ the flow channel leads ⁇ to continue to work there. The efficiency of the steam turbine thereby increases.
  • a hollow steam turbine shaft has a lower mass compared to a solid shaft and thus also a lower heat capacity a solid shaft and a larger flowed surface. As a result, a rapid warm-up of the steam turbine shaft is possible.
  • Another aspect of the invention is that the creep strength of the ⁇ used for the steam turbine shaft mate rials ⁇ is increased by the improved cooling.
  • the time ⁇ can rupture strength in this case be increased by a factor greater than 2 to a solid shaft, so that the above loading required voltage increase is compensated. This leads to an extension of the field of application of the steam turbine shaft.
  • Another aspect of the invention is that the radial games can be reduced by the diameter of the hollow shaft is increased by radial centrifugal forces.
  • the ra ⁇ Diale centrifugal force is proportional to the square of the speed. An increase in the speed thus causes a reduction of radial play, which leads to an increase in the overall efficiency of the steam turbine.
  • Another aspect of the invention is that hollow shafts can be produced inexpensively.
  • the housing comprises an inner housing and an outer housing.
  • High-pressure turbine sections as well as medium-pressure and compact turbine sections are among the most thermally stable steam turbines.
  • high-pressure, medium-pressure and compact turbine sections with an inner housing are arranged on the vanes and formed around the inner housing arranged outer housing.
  • the turbine shaft has at least two regions made of different materials in the axial direction.
  • thermally stressed areas is usually high quality material used.
  • 10% chromium steel can be used in the thermally stressed areas.
  • 1% chromium steel can be used in the areas of low thermal stress.
  • the turbine shaft in the axial direction Rich ⁇ three areas made of different materials.
  • the two outer regions are made of the same material.
  • suitably suitable material for the respective region of the steam turbine shaft under defenceli ⁇ cher thermal load can be selected.
  • the areas comprising different materials are welded together.
  • the welding creates a stable turbine shaft.
  • the regions consisting of different materials are connected to one another by means of a Hirth toothing.
  • the main advantage of the Hirth toothing is the particularly high thermal flexibility of the turbine shaft. Another advantage is that this usually leads to the turbine shaft can be made quickly. In addition ⁇ from the turbine shaft can be formed inexpensively.
  • the two outer regions are designed as a solid shaft and the intermediate region lying between them as a hollow shaft.
  • the inflow line and the outflow line are integrated in the flange connection.
  • the comprehensive of different materials are by at least one weld seam with ⁇ welded to each other.
  • the inflow line and the From ⁇ ström are integrated in the Hirth coupling.
  • the Hirth toothing which may have a trapezoidal, rectangular or triangular toothing, be made with a recess formed as an inflow and / or outflow line. This gives you a very easy way to get one
  • the recess in the trapezoidal, rectangular or triangular toothing can be adapted depending on the calculated passage volume of the cooling steam.
  • the production of such recesses on a Hirth toothing is relatively simple and can also be carried out quickly. This results in cost advantages.
  • the return line is arranged within the outer housing.
  • the return line can also be designed as a bore in the inner housing.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a prior art high pressure turbine part
  • FIG. 2 shows a section through part of a partial turbine
  • FIG. 4 shows a section through a turbine shaft in an alternative embodiment
  • 5 shows a section through a turbine shaft in ver alternatively ⁇ embodiment
  • FIG. 8 shows an enlarged view of a flange connection
  • FIG. 9 is a perspective view of a part of the flange connection, FIG.
  • FIG. 10 is a perspective view of the principle of a Hirth tooth
  • FIG. 11 is a sectional view of a Hirth toothing with passage channels in a triangular shape
  • FIG. 12 shows a section through a Hirth toothing in trapezoidal shape with through-holes
  • FIG. 1 shows a section through a high-pressure turbine part 1 according to the prior art.
  • the high ⁇ -pressure turbine section 1 as an embodiment of a steam turbine includes an outer casing 2 and an inner disposed therein ⁇ housing 3.
  • a turbine shaft 5 ⁇ is mounted rotatably about an axis of rotation.
  • the Turbi ⁇ nenwelle 5 comprises in grooves on a surface of Turbi ⁇ nenwelle 5 arranged blades 7.
  • the inner casing 3 has on its inner surface arranged in grooves Leitschau ⁇ blades 8.
  • the stator blades 8 and rotor blades 7 are arranged in such a way be ⁇ that in a flow direction 13, a flow channel is formed.
  • the high-pressure turbine section 1 has an inflow region 10, through which live steam flows into the high-pressure turbine section 1 during operation.
  • the live steam can have steam parameters above 300 bar and above 620 ° C.
  • the relaxing in the flow direction 13 live steam flows alternately past the guide 8 and blades 7, relaxes and cools down.
  • the steam loses in this case to internal energy, which is converted into rotational energy of the turbine shaft 5.
  • the rotation of the turbine shaft 5 finally drives a generator, not shown, for power supply.
  • the high-pressure turbine section 1 can drive of course other system components except for a generator, for example a compressor, a ship ⁇ screw or the like.
  • the steam flows through the flow channel 9 ⁇ and flows from the high-pressure turbine section 1 from the outlet 33 of.
  • the steam exerts an action force 11 in the flow direction 13.
  • the result is that the turbine shaft 4 would perform a movement in the flow direction 13.
  • An actual movement of the turbine shaft 5 is prevented by the formation of a balance piston 4.
  • This is done by 12 steam is in a compensating piston flowed with appropriate pressure causes gleichskolbenvorraum as a result of building up pressure in the From ⁇ 12 a force is created against the flow direction 13, which should be the same, ideally, as the action force 11.
  • the in the Aus GmbHskolbenvorraum 12 streamed steam is usually branched off
  • Live steam which has very high temperature parameters.
  • the inflow region 10 and the compensating piston 4 of the turbine shaft are subjected to high thermal stress.
  • the steam turbine 2 shows a section of a steam turbine is one Darge ⁇ .
  • the steam turbine has an outer housing 2, an inner ⁇ housing 3 and a turbine shaft 5.
  • the steam turbine 1 has moving blades 7 and guide vanes 8. live steam passes through the inflow region 10 via a diagonal stage 15 in the flow channel 9. The steam relaxes and cools down.
  • the internal energy of the steam is in Rotati ⁇ the turbine shaft 5 onsenergy converted.
  • the cooling line 17 is in this case formed as a cavity within the turbine shaft 5.
  • Other embodiments are conceivable. So z. Example, instead of a cavity 17 form a line, not shown, within the turbine shaft 5.
  • the turbine shaft 5 is rotatably mounted within the housing
  • the cooling line 17 is in this case designed to guide cooling steam in the direction of the axis of rotation 6.
  • the cooling line 17 is on the one hand fluidly connected to at least one inflow line 16.
  • the inflow line 16 is designed for the inflow of cooling steam from the flow channel 9 into the cooling line 17.
  • the inflow line 16 may in this case be aligned radially with respect to the axis of rotation 6.
  • Other embodiments of the Zuströmlei ⁇ tung 16 are conceivable. Be formed For example, the Zuströmlei ⁇ tung 16 perpendicular to the axis of rotation 6 is inclined.
  • the cooling line 16 could run in a spiral from the flow channel 9 to the cooling line 17.
  • the cross section of the cooling line 16 can vary from the flow channel 9 to the cooling line 17.
  • the cooling line 17 is connected to at least one outflow line 18 for guiding the cooling steam to a thrust compensating piston skirt surface 19.
  • the effluent from the discharge line 18 cooling steam is distributed on the thrust balance piston skirt surface 19 and cools this off.
  • the housing 2, 3 comprises an inner housing 3 and a deliberatelyge ⁇ housing 2.
  • the effluent from the discharge line 18 cooling steam flows in two directions. On the one hand in the direction of the main flow direction 13 and the other in one of the main flow 13 opposite direction. Via the inflow 10, a portion flows of the live steam between the réellege ⁇ housing 3 and the turbine shaft 5 in the direction of push-off ⁇ equal to the piston 4.
  • This piston leakage steam 20 so-called mixes with the flowing out of the outflow cooling steam and by means of a return line 21 into the flow channel 9 returned. It makes sense that this return line 21 begins between inflow 10 and the outlet of the discharge line 18.
  • a partial flow of the cooling steam can be directed in the direction of the main flow 13 and lock the piston leakage 20. In this way, the above-described cooling of the piston surface 18 accordinglyge ⁇ provides.
  • This mixed steam formed from the cooling steam and a compensating piston leakage steam is flowed in at a suitable point in the flow channel 9 in order to perform work there
  • the return line 21 may be formed as an external line within the outer housing 2.
  • the return line 21 may also be formed as a bore within the inner housing 3 ⁇ .
  • FIG. 3 shows a turbine shaft 5.
  • the Tur ⁇ binenwelle 5 is made of a material that carries the ther ⁇ mix stresses bill.
  • the disadvantage here however, that the thermal stress is not uniformly distributed on the turbine shaft 5, but as shown earlier, in the region of the inflow 10 and the balance piston 4 is particularly strong. For clarity ⁇ sake, the blades 7 are not shown.
  • the hatching in FIG. 3 makes it clear that the turbine shaft 5 is formed from a material.
  • FIG. 4 shows a further turbine shaft 5, wherein this turbine shaft 5 has at least two regions made of different materials in the flow direction 13.
  • the turbine shaft 23 can 5 in the axial flow direction 13, three regions 24, which have different materials 22nd
  • the central region 22 may for example be made of a temperature-resistant 10% chromium steel and the two outer regions 23 and 24 made of the same material such. B. l% chromium steel.
  • the turbine shaft 5 is connected by means of welded joints 25 and 26 with each other.
  • the turbine shaft 5 can be designed as a hollow shaft in its central region 22 and in its outer regions 23, 24 as a solid shaft.
  • the turbine shaft 5 can be connected to one another by means of a flange connection 40 from regions 22, 23, 24 comprising different materials, the inflow line 16 and the outflow line 18 being integrated in the flange connection.
  • FIG. 5 shows an alternative embodiment of the turbine shaft 5.
  • the difference from the turbine shaft shown in FIG. 4 is that the turbine shaft 5 shown in FIG. 5 is assembled by means of a Hirth gear 27, 28. Which is arranged such that the two regions are pressed äuße ⁇ ren 23 and 24 against the middle portion 22 are thereby has a tie rod 29 det trained.
  • the central region 22 may comprise one or more sections which are tube-shaped or disk-shaped are and each one or more blade stages contained ⁇ th.
  • the turbine shaft 5 by means of a Hirth toothing 30, 31 connected to each other, wherein the inflow line 16 and the discharge line 18 in the Hirth toothing 30, 31 is integrated.
  • FIG. 7 shows a further alternative embodiment of the turbine shaft 5.
  • the turbine shaft 5 comprises at least two regions 22 'and 23' formed of different materials.
  • the area 23 ' is flanged to the area 22'.
  • the screw connection takes place by means of suitable expansion screws 39.
  • the flange connection 40 is centered according to the state of the art.
  • a thread 41 for grasping the screw 39 is madebil ⁇ det in Be ⁇ rich 22 '.
  • the screwing of the region 23 'with the region 22' preferably takes place from the cooler side.
  • FIG 8 is a sectional view of the screwed connection of Figure 7 can be seen. It can also be seen in this illustration that the discharge line 18 integrates into the connection through recesses. This is shown in a perspective view of a part of the turbine shaft 5 in FIG.
  • FIG. 10 shows a perspective view of a Hirth toothing 30, 31.
  • the middle region 2 in this case has a Hirth toothing 30, 31 shown in FIG.
  • the two outer regions 24 and 23 made of different materials likewise have a Hirth toothing 30, 31.
  • FIG. 11 shows a cross-sectional view of the Hirth toothing 30, 31.
  • the left part is, for example, the left region 24 and the right part of the central region 22 is connected to one another via the Hirth toothing 30.
  • the inflow line 16 is integrated in the Hirth toothing.
  • the cross-sectional illustration shown in FIG. 11 can also represent the discharge line 18. In this case, the left region would be the middle region 22 and the right region 23 connected via the Hirth toothing 31.
  • the Ab flow line 18 is integrated in the Hirth toothing 30, 31.
  • the embodiment shown in Figure 11 has a triangular toothing.
  • the inflow line 16 or the outflow line 18 is formed via recesses 32 of the Hirth toothing 30, 31.
  • the Hirth toothing 30, 31 has a trapezoidal toothing. Possible embodiments of the Hirth toothing are a trapezoidal, rectangular or triangular toothing. Other embodiments are possible.
  • FIG. 13 shows the relevant strength values for 1% and 10% chromium steels for steam turbine shafts.
  • the temperature is plotted in a linear scale of 400 to 600 0 C.
  • the y-axis 36 is the
  • the upper curve 37 shows the mm
  • the turbine shaft 5 can also be used in a medium pressure or a compact turbine section (high and middle pressure within a housing). Likewise, the turbine shaft 5 can be used in other types of steam turbine.

Description

Dampfturbine
Die Erfindung betrifft eine Dampfturbine mit einem Gehäuse, wobei eine einen Schubausgleichskolben aufweisende Turbinenwelle drehgelagert innerhalb des Gehäuses angeordnet und ent¬ lang einer Rotationsachse gerichtet ist, wobei ein Strömungs¬ kanal zwischen dem Gehäuse und der Turbinenwelle ausgebildet ist, wobei die Turbinenwelle in ihrem Inneren eine Kühllei¬ tung zur Führung von Kühldampf in Richtung der Rotationsachse aufweist und die Kühlleitung mit zumindest einer Zuströmlei¬ tung zur Zuströmung von Kühldampf aus dem Strömungskanal in die Kühlleitung verbunden ist.
Zur Steigerung des Wirkungsgrades einer Dampfturbine trägt die Verwendung von Dampf mit höheren Drücken und Temperaturen bei. Die Verwendung von Dampf mit einem solchen Dampfzustand stellt erhöhte Anforderungen an die entsprechende Dampftur- bine .
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 Unter- schied dazu werden Gasturbinen mit Gas und/oder Luft als
Arbeitsmedium durchströmt, das jedoch völlig anderen Tempera¬ tur- 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, wie bei Gasturbinen, ist also nicht ohne externe Zuführung realisierbar.
Eine Dampfturbine umfasst üblicherweise einen mit Schaufeln besetzten drehbar gelagerten Rotor, der innerhalb eines Gehäusemantels angeordnet ist. Bei Durchströmung des vom Gehäu¬ semantel gebildeten Strömungsraumes mit erhitztem und unter Druck stehendem Dampf wird der Rotor über die Schaufeln durch den Dampf in Rotation versetzt. Die am Rotor angebrachten Schaufeln werden auch als Laufschaufeln bezeichnet. Am Gehäusemantel sind darüber hinaus üblicherweise stationäre Leit¬ schaufeln angebracht, welche in die Zwischenräume der Lauf- schaufeln greifen. Eine Leitschaufel ist üblicherweise an einer ersten Stelle entlang einer Innenseite des Dampfturbi¬ nengehäuses gehalten. Dabei ist sie üblicherweise Teil eines Leitschaufelkranzes, welcher eine Anzahl von Leitschaufeln umfasst, die entlang eines Innenumfangs an der Innenseite des Dampfturbinengehäuses angeordnet sind. Dabei weist jede Leit¬ schaufel mit ihrem Schaufelblatt radial nach innen. Ein Leit¬ schaufelkranz an einer Stelle entlang der axialen Ausdehnung wird auch als Leitschaufelreihe bezeichnet. Üblicherweise ist eine Anzahl von Leitschaufelreihen hintereinander angeordnet.
Eine wesentliche Rolle bei der Steigerung des Wirkungsgrades spielt die Kühlung. Bei den bisher bekannten Kühlmittelmetho¬ den zur Kühlung eines Dampfturbinengehäuses, ist zwischen einer aktiven Kühlung und einer passiven Kühlung zu unter- scheiden. Bei einer aktiven Kühlung wird eine Kühlung durch ein dem Dampfturbinengehäuse separat, d. h. zusätzlich zum Arbeitsmedium zugeführtes Kühlmedium bewirkt. Dagegen erfolgt eine passive Kühlung lediglich durch eine geeignete Führung oder Verwendung des Arbeitsmediums. Eine übliche Kühlung eines Dampfturbinengehäuses beschränkt sich auf eine passive Kühlung. So ist beispielsweise bekannt, ein Innengehäuse einer Dampfturbine mit kühlem, bereits expandiertem Dampf zu umströmen. Dies hat jedoch den Nachteil, dass eine Tempera¬ turdifferenz 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 Wärmeab¬ fuhr statt, jedoch erfolgt die Wärmeabfuhr relativ weit entfernt von der Stelle der Wärmezufuhr. Eine Wärmeabfuhr in un- mittelbarer Nähe der Wärmezufuhr ist bisher nicht in ausreichendem Maße verwirklicht worden. Eine weitere passive Küh¬ lung kann mittels einer geeigneten Gestaltung der Expansion des Arbeitsmediums in einer so genannten Diagonalstufe er- reicht werden. Hierüber lässt sich allerdings nur eine sehr begrenzte Kühlwirkung auf das Gehäuse erzielen.
Die in den Dampfturbinen drehbar gelagerten Dampfturbinenwel- len werden im Betrieb thermisch sehr beansprucht. Die Ent¬ wicklung und Herstellung einer Dampfturbinenwelle ist zugleich teuer und zeitaufwändig . Die Dampfturbinenwellen gelten als die am höchsten beanspruchten und teuersten Komponenten einer Dampfturbine. Dies gilt zunehmend für hohe Dampftemperaturen .
Mitunter aufgrund der hohen Massen der Dampfturbinenwellen sind diese thermisch träge, was sich negativ bei einem thermischen Lastwechseln eines Turbosatzes auswirkt. Das bedeu- tet, dass die Reaktion der gesamten Dampfturbine auf einen
Lastwechsel im starken Maße von der Schnelligkeit der Dampf¬ turbinenwelle auf thermisch veränderte Bedingungen reagieren zu können, abhängt. Zur Überwachung der Dampfturbinenwelle wird standardmäßig die Temperatur überwacht, was aufwändig und kostspielig ist.
Eine Eigenschaft der Dampfturbinenwellen ist, dass diese über keine wesentliche Wärmesenke verfügen. Daher gestaltet sich die Kühlung der an der Dampfturbinenwelle angeordneten Lauf- schaufeln als schwierig.
Zur Verbesserung der Anpassung einer Dampfturbinenwelle auf eine thermische Beanspruchung ist es bekannt, diese im Ein¬ strömbereich auszuhöhlen oder als Hohlwelle auszubilden. Diese Hohlräume sind in der Regel abgeschlossen und mit Luft gefüllt.
Allerdings wirken sich die im Betrieb auftretenden hohen Spannungen, die zum großen Teil aus Tangentialspannungen aus der Fliehkraft bestehen, nachteilig auf die vorgenannten
Dampfturbinen-Hohlwellen aus . Diese Spannungen sind in etwa doppelt so hoch wie die Spannungen, die bei entsprechenden Vollwellen auftreten würden. Dies hat einen starken Einfluss auf die Werkstoffauswahl der Hohlwellen, was dazu führen kann, dass die Hohlwellen für hohe Dampfzustände nicht geeig¬ net bzw. nicht realisierbar sind.
Im Gasturbinenbau ist es bekannt, luftgekühlte Hohlwellen als dünnwandige Schweißkonstruktionen auszuführen. Es ist unter anderem bekannt, die Gasturbinenwellen über eine so genannte Hirth-Verzahnung mit Scheiben auszubilden. Diese Gasturbinenwellen weisen dafür einen zentralen Zuganker auf.
Allerdings ist eine direkte Übertragung der Kühlprinzipien bei Gasturbinen auf den Dampfturbinenbau in der Regel nicht möglich, da eine Dampfturbine im Gegensatz zur Gasturbine als geschlossenes System betrieben wird. Darunter ist zu verste- hen, dass das Arbeitsmedium in einem Kreislauf sich befindet und nicht in die Umgebung abgeführt wird. Das bei einer Gas¬ turbine eingesetzte Arbeitsmedium, das im Grunde genommen aus Luft und Abgas besteht, wird nach dem Durchtritt durch die Turbineneinheit der Gasturbine in die Umgebung abgegeben.
Dampfturbinen weisen darüber hinaus im Gegensatz zur Gasturbine keine Verdichtereinheit auf und des Weiteren sind die Wellen der Dampfturbine im Allgemeinen nur radial zugänglich.
Dampfturbinen mit einer Dampfeintrittstemperatur von ungefähr 6000C wurden in den 1950er Jahren entwickelt und gebaut. Diese Dampfturbinen wiesen eine radiale Beschaufelung auf. Der heutige Stand der Technik im Dampfturbinenbau umfasst Wellenkühlungen mit radialer Anordnung der ersten Leitschau- feireihe in Form von Diagonal- oder Regelstufen auf. Nachtei¬ lig bei dieser Ausführungsform ist jedoch die geringe Kühlwirkung dieser Diagonal- oder Regelstufen.
Besonders thermisch belastet werden bei den Dampfturbinenwel- len die Kolben- und Einströmbereiche. Mit Kolbenbereich ist der Bereich eines Schubausgleichskolbens zu verstehen. Der Schubausgleichskolben wirkt in einer Dampfturbine derart, dass eine durch das Arbeitsmedium hervorgerufene Kraft auf die Welle in einer Richtung eine Gegenkraft in Gegenrichtung ausgebildet wird.
Eine Kühlung einer Dampfturbinenwelle ist unter anderem in der EP 0 991 850 Bl beschrieben. Dabei wird eine Kompakt¬ bzw. Hochdruck- und Mitteldruck-Teilturbine durch eine Ver¬ bindung in der Welle, durch die ein Kühlmedium strömen kann, ausgeführt. Als nachteilig wird hierbei empfunden, dass zwi¬ schen zwei verschiedenen Expansionsabschnitten kein regelba- rer Bypass ausgebildet werden kann. Darüber hinaus sind Prob¬ leme im instationären Betrieb möglich.
Wünschenswert wäre es, eine Dampfturbine auszubilden, die für hohe Temperaturen geeignet ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Dampfturbine an¬ zugeben, die bei hohen Dampftemperaturen betrieben werden kann .
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Dampfturbine mit einem Gehäuse, wobei eine einen Schubausgleichskolben aufweisende Turbinenwelle drehgelagert innerhalb des Gehäuses angeordnet und entlang einer Rotationsachse gerichtet ist, wobei ein Strömungskanal zwischen dem Gehäuse und der Turbinenwelle ausgebildet ist, wobei die Turbinenwelle in ihrem Inneren eine Kühlleitung zur Führung von Kühldampf in Richtung der Rotationsachse aufweist und die Kühlleitung einerseits mit zumindest einer Zuströmleitung zur Zuströmung von Kühldampf aus dem Strömungskanal in die Kühlleitung verbunden ist, wo- bei die Kühlleitung andererseits mit zumindest einer Abström¬ leitung zur Führung von Kühldampf auf eine Schubausgleichs- kolbenmanteloberflache verbunden ist .
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Dampfturbine mit einer Rückführungsleitung zur Rückführung eines Mischdampfes, gebildet aus dem Kühldampf und einem Ausgleichskolbenleck- dampf, ausgebildet, wobei die Rückführung in den Strömungska¬ nal mündet . Es wird somit eine Dampfturbine mit einer Dampfturbinenwelle vorgeschlagen, die in den während des Betriebes heißen Berei¬ chen jeweils hohl ist und mit einer internen Kühlung versehen ist. Die Erfindung geht von dem Aspekt aus, dass während des Betriebes expandierter Dampf durch das Welleninnere zum Aus¬ gleichskolben geführt wird und dort den thermisch sehr beanspruchten Ausgleichskolben kühlt . Mit der vorgeschlagenen Kühlmöglichkeit können vor allem diejenigen Dampfturbinenwel- len gekühlt werden, die einen Ausgleichskolben aufweisen.
Dies wären z. B. Hochdruck-, Mitteldruck- sowie K-Teilturbi- nen. Wobei unter einer K-Teilturbine eine Kompakt-Teilturbine zu verstehen ist, die einen auf einer Dampfturbinenwelle be¬ findlichen Hochdruck- und Mitteldruckbereich aufweist. Der Vorteil der Erfindung ist unter anderem darin zu sehen, dass die Dampfturbinenwelle zum einen kriechstabil ausgebildet werden kann und zum anderen flexibel auf thermische Belastungen reagiert. Bei einem Lastwechsel beispielsweise, bei dem eine höhere thermische Belastung auftreten kann, führt die Kühlung dazu, dass die thermische Belastung der Welle schließlich abnimmt. Dies gilt insbesondere für die Bereiche, die besonders thermisch belastet sind, wie z. B. der Ein¬ strömbereich oder der Ausgleichskolben.
Dabei geht die Erfindung von dem Aspekt aus, dass der Kühl¬ dampf mit einem Ausgleichskolbenleckdampf vermischt wird und dieser gebildete Mischdampf wieder dem Strömungskanal zuge¬ führt wird um dort weiter Arbeit zu leisten. Der Wirkungsgrad der Dampfturbine erhöht sich dadurch.
Dadurch ist ein schnelles Anfahren der Dampfturbine möglich, was für die heutige Zeit einen besonderen Aspekt darstellt, bei dem es darum geht, Energie schnell zur Verfügung zu stel¬ len. Des Weiteren entsteht ein Vorteil durch die erfindungs- gemäße Dampfturbine dadurch, dass die Kosten für eine Wellen¬ überwachung geringer ausfallen können. Eine hohle Dampfturbinenwelle weist eine geringere Masse gegenüber einer Vollwelle auf und dadurch auch eine geringere Wärmekapazität gegenüber einer Vollwelle sowie eine größere beströmte Oberfläche. Dadurch ist ein schnelles Aufwärmen der Dampfturbinenwelle möglich .
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist, dass die Zeitstands¬ festigkeit des für die Dampfturbinenwelle eingesetzten Mate¬ rials durch die verbesserte Kühlung erhöht wird. Die Zeit¬ standsfestigkeit kann hierbei um einen Faktor größer als 2 gegenüber einer Vollwelle erhöht werden, sodass die oben be- schriebene Spannungserhöhung überkompensiert wird. Dies führt zu einer Erweiterung des Einsatzbereiches der Dampfturbinenwelle .
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist es, dass die Radial- spiele verkleinert werden können, indem der Durchmesser der Hohlwelle durch radiale Fliehkräfte vergrößert wird. Die ra¬ diale Fliehkraft ist proportional zum Quadrat der Drehzahl. Eine Vergrößerung der Drehzahl bewirkt demnach eine Verkleinerung von Radialspielen, was zu einer Steigerung des Gesamt- Wirkungsgrades der Dampfturbine führt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist es, dass Hohlwellen kostengünstig hergestellt werden können.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Gehäuse ein Innengehäuse und ein Außengehäuse. Hochdruck-Teilturbinen als auch Mitteldruck- und Kompakt-Teilturbinen gehören zu den am thermisch belastbarsten Dampfturbinen. In der Regel werden Hochdruck-, Mitteldruck- sowie Kompakt-Teilturbinen mit einem Innengehäuse, an dem Leitschaufeln angeordnet sind und einem um das Innengehäuse angeordneten Außengehäuse ausgebildet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Turbinenwelle in axialer Richtung zumindest zwei Bereiche aus verschiedenen Materialien auf.
Dadurch können Kosten eingespart werden. In den thermisch belasteten Bereichen wird in der Regel hochwertiges Material eingesetzt. Beispielsweise kann in den thermisch belasteten Bereichen 10%iger Chromstahl verwendet werden. Wohingegen in den Bereichen niedriger thermischer Belastung l%iger Chromstahl verwendet werden kann.
Zweckdienlicherweise weist die Turbinenwelle in axialer Rich¬ tung drei Bereiche aus verschiedenen Materialien auf. Insbesondere bestehen die beiden äußeren Bereiche aus dem gleichen Material. Dadurch kann zielgerichtet geeignetes Material für den jeweiligen Bereich der Dampfturbinenwelle unterschiedli¬ cher thermischer Belastung ausgewählt werden.
Vorteilhafterweise werden die aus verschiedenen Materialien umfassenden Bereiche miteinander verscheißt. Durch die Schweißung wird eine stabile Turbinenwelle ausgebildet.
In einer weiteren vorteilhaften alternativen Ausführungsform sind die aus verschiedenen Materialien bestehenden Bereiche mittels einer Hirth-Verzahnung miteinander verbunden. Der wesentliche Vorteil der Hirth-Verzahnung ist die besonders hohe thermische Flexibilität der Turbinenwelle. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass diese in der Regel dazu führt, dass die Turbinenwelle schnell gefertigt werden kann. Darüber hin¬ aus kann die Turbinenwelle kostengünstig ausgebildet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind die beiden äußeren Bereiche als Vollwelle und der dazwischen liegende mittlere Bereich als Hohlwelle ausgebildet. Ebenso vorteil¬ haft ist es, wenn die aus verschiedenen Materialien bestehen- den Bereiche mittels einer Flanschverbindung miteinander verbunden sind. Dies kann bei Revisionsarbeiten hilfreich sein, da die verschiedenen Bereiche voneinander leicht getrennt werden können.
Ebenso ist es vorteilhaft, wenn die Zuströmleitung und die Abströmleitung in der Flanschverbindung integriert sind. Zweckdienlicherweise werden die aus verschiedenen Materialien umfassenden Bereiche durch mindestens eine Schweißnaht mit¬ einander verschweißt.
Sehr vorteilhaft ist es, wenn die Zuströmleitung und die Ab¬ strömleitung in der Hirth-Verzahnung integriert sind. Dabei kann die Hirth-Verzahnung, die eine Trapez-, rechteckige oder dreieckige Verzahnung aufweisen kann, mit einer als Zuström- und/oder Abströmleitung ausgebildeten Ausnehmung gefertigt sein. Dadurch hat man eine sehr einfache Möglichkeit, eine
Zuström- und/oder Abströmleitung auszubilden. Beispielsweise kann die Ausnehmung in der Trapez-, rechteckigen oder dreieckigen Verzahnung je nach berechnetem Durchtrittsvolumen des Kühldampfes angepasst ausgebildet sein. Die Fertigung solcher Ausnehmungen auf einer Hirth-Verzahnung ist vergleichsweise einfach und kann darüber hinaus schnell durchgeführt werden. Dadurch entstehen Kostenvorteile.
Vorteilhafterweise wird die Rückführungsleitung innerhalb des Außengehäuses angeordnet. Die Rückführungsleitung kann auch als Bohrung im Innengehäuse ausgebildet sein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der nachfol¬ genden Zeichnungen näher erläutert. Dabei haben Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen die gleiche Funktionsweise.
Es zeigen
Figur 1 eine Querschnittsansicht einer Hochdruck-Teilturbine gemäß dem Stand der Technik,
Figur 2 einen Schnitt durch einen Teil einer Teilturbine,
Figur 3 einen Schnitt durch eine Turbinenwelle,
Figur 4 einen Schnitt durch eine Turbinenwelle in alternativer Ausführungsform, Figur 5 einen Schnitt durch eine Turbinewelle in alternati¬ ver Ausführungsform,
Figur 6 einen Schnitt durch eine Turbinenwelle in alternativer Ausführungsform,
Figur 7 einen Schnitt durch eine Turbinenwelle in alternativer Ausführungsform,
Figur 8 eine vergrößerte Darstellung einer Flanschverbindung,
Figur 9 eine perspektivische Darstellung eines Teiles der Flanschverbindung,
Figur 10 eine perspektivische Darstellung des Prinzips einer Hirth-Verzahnung,
Figur 11 eine Schnittdarstellung einer Hirth-Verzahnung mit Durchlasskanälen in Dreieck-Form,
Figur 12 einen Schnitt durch eine Hirth-Verzahnung in Trapezform mit Durchgangsbohrungen,
Figur 13 Kurve mit Darstellung der relativen
Zeitstandsfestigkeit in Abhängigkeit der Tempera¬ tur .
In der Figur 1 ist ein Schnitt durch eine Hochdruck-Teilturbine 1 gemäß dem Stand der Technik dargestellt . Die Hoch¬ druck-Teilturbine 1 als Ausführungsform einer Dampfturbine umfasst ein Außengehäuse 2 und ein darin angeordnetes Innen¬ gehäuse 3. Innerhalb des Innengehäuses 3 ist eine Turbinen¬ welle 5 um eine Rotationsachse 6 drehbar gelagert. Die Turbi¬ nenwelle 5 umfasst in Nuten auf einer Oberfläche der Turbi¬ nenwelle 5 angeordnete Laufschaufeln 7. Das Innengehäuse 3 weist an seiner Innenfläche in Nuten angeordnete Leitschau¬ feln 8 auf. Die Leit- 8 und Laufschaufeln 7 sind derart ange¬ ordnet, dass in einer Strömungsrichtung 13 ein Strömungskanal 9 ausgebildet ist. Die Hochdruck-Teilturbine 1 weist einen Einströmbereich 10 auf, durch den im Betrieb Frischdampf in die Hochdruck-Teilturbine 1 einströmt. Der Frischdampf kann Dampfparameter von über 300 bar und über 6200C aufweisen. Der in die Strömungsrichtung 13 sich entspannende Frischdampf strömt abwechselnd an den Leit- 8 und Laufschaufeln 7 vorbei, entspannt sich und kühlt sich ab. Der Dampf verliert hierbei an innerer Energie, der in Rotationsenergie der Turbinenwelle 5 umgewandelt wird. Die Rotation der Turbinenwelle 5 treibt schließlich einen nicht dargestellten Generator zur Energieversorgung an. Die Hochdruck-Teilturbine 1 kann selbstver- ständlich andere Anlagenkomponenten außer einem Generator antreiben, beispielsweise einen Verdichter, eine Schiffs¬ schraube oder ähnliches. Der Dampf durchströmt den Strömungs¬ kanal 9 und strömt aus der Hochdruck-Teilturbine 1 aus dem Auslass 33 aus. Der Dampf übt hierbei eine Aktionskraft 11 in Strömungsrichtung 13 aus. Die Folge ist, dass die Turbinen¬ welle 4 eine Bewegung in Strömungsrichtung 13 vollziehen würde. Eine tatsächliche Bewegung der Turbinenwelle 5 wird durch die Ausbildung eines Ausgleichskolbens 4 verhindert. Dies geschieht, indem in einem Ausgleichskolbenvorraum 12 Dampf mit entsprechendem Druck eingeströmt wird, der dazu führt, dass infolge des sich aufbauenden Druckes im Aus¬ gleichskolbenvorraum 12 eine Kraft entgegen der Strömungsrichtung 13 entsteht, die idealerweise genauso groß sein sollte wie die Aktionskraft 11. Der in dem Ausgleichskolben- Vorraum 12 eingeströmte Dampf ist in der Regel abgezweigter
Frischdampf, der sehr hohe Temperaturparameter aufweist. Demzufolge werden der Einströmbereich 10 und der Ausgleichskolben 4 der Turbinenwelle thermisch stark beansprucht .
In der Figur 2 ist ein Ausschnitt einer Dampfturbine 1 darge¬ stellt. Die Dampfturbine weist ein Außengehäuse 2, ein Innen¬ gehäuse 3 und eine Turbinenwelle 5 auf. Die Dampfturbine 1 weist Laufschaufeln 7 und Leitschaufeln 8 auf. Frischdampf gelangt über den Einströmbereich 10 über eine Diagonalstufe 15 in den Strömungskanal 9. Der Dampf entspannt und kühlt sich dabei ab. Die innere Energie des Dampfes wird in Rotati¬ onsenergie der Turbinenwelle 5 umgewandelt.
Der Dampf wird nach einer bestimmten Anzahl von Turbinenstufen, die aus Leit- 8 und Laufschaufeln 7 gebildet werden, über eine Zuströmleitung 16 mit einer Kühlleitung 17 strömungstechnisch verbunden. Die Kühlleitung 17 ist hierbei als Hohlraum innerhalb der Turbinenwelle 5 ausgebildet. Andere Ausführungsformen sind denkbar. So ist z. B. möglich, statt eines Hohlraums 17 eine nicht dargestellte Leitung innerhalb der Turbinenwelle 5 auszubilden.
Die Turbinenwelle 5 ist drehgelagert innerhalb des Gehäuses
2, 3 angeordnet und entlang einer Rotationsachse 6 gerichtet. Zwischen dem Gehäuse 2, 3 und der Turbinenwelle 5 wird ein Strömungskanal 9 ausgebildet. Die Kühlleitung 17 ist hierbei zur Führung von Kühldampf in Richtung der Rotationsachse 6 ausgebildet. Die Kühlleitung 17 ist einerseits mit zumindest einer Zuströmungsleitung 16 strömungstechnisch verbunden. Die Zuströmleitung 16 ist zur Zuströmung von Kühldampf aus dem Strömungskanal 9 in die Kühlleitung 17 ausgebildet.
Die Zuströmleitung 16 kann hierbei radial zur Rotationsachse 6 ausgerichtet sein. Andere Ausführungsformen der Zuströmlei¬ tung 16 sind denkbar. So kann beispielsweise die Zuströmlei¬ tung 16 senkrecht zur Rotationsachse 6 geneigt ausgebildet sein. Die Kühlleitung 16 könnte spiralförmig von dem Strö- mungskanal 9 zur Kühlleitung 17 verlaufen. Der Querschnitt der Kühlleitung 16 kann von dem Strömungskanal 9 zur Kühlleitung 17 variieren.
Die Kühlleitung 17 ist andererseits mit zumindest einer Ab- Strömleitung 18 zur Führung des Kühldampfes auf eine Schub- ausgleichskolbenmanteloberflache 19 verbunden. Der aus der Abströmleitung 18 ausströmende Kühldampf verteilt sich auf der Schubausgleichskolbenmanteloberflache 19 und kühlt hierbei diese ab.
Das Gehäuse 2, 3 umfasst ein Innengehäuse 3 und ein Außenge¬ häuse 2. Der aus der Abströmleitung 18 ausströmende Kühldampf strömt in zwei Richtungen. Zum einen in Richtung der Hauptströmungsrichtung 13 und zum anderen in einer der Hauptströmung 13 entgegen gesetzten Richtung. Über den Einströmbereich 10 strömt ein Teil des Frischdampfes zwischen dem Innenge¬ häuse 3 und der Turbinenwelle 5 in Richtung des Schubaus¬ gleichskolbens 4. Dieser so genannte Kolbenleckdampf 20 vermischt sich mit dem aus der Abströmleitung ausströmenden Kühldampf und wird mittels einer Rückführungsleitung 21 in den Strömungskanal 9 zurückgeführt. Sinnvollerweise beginnt diese Rückführungsleitung 21 zwischen Einströmung 10 und dem Austritt der Abströmleitung 18. Somit kann ein Teilstrom des Kühldampfes in Richtung der Hauptströmung 13 geleitet werden und den Kolbenleckdampf 20 sperren. Auf diese Weise wird die oben beschriebene Kühlung der Kolbenoberfläche 18 sicherge¬ stellt. Dieser aus dem Kühldampf und einem Ausgleichskolben- leckdampf gebildete Mischdampf wird an geeigneter Stelle im Strömungskanal 9 eingeströmt um dort Arbeit zu leisten.
Die Rückführungsleitung 21 kann als externe Leitung innerhalb des Außengehäuses 2 ausgebildet sein. Die Rückführungsleitung 21 kann auch als Bohrung innerhalb des Innengehäuses 3 ausge¬ bildet sein.
In der Figur 3 ist eine Turbinenwelle 5 dargestellt . Die Tur¬ binenwelle 5 ist aus einem Material gefertigt, das den ther¬ mischen Beanspruchungen Rechnung trägt. Nachteilig ist hierbei allerdings, dass die thermische Beanspruchung nicht gleichmäßig auf der Turbinenwelle 5 verteilt ist, sondern wie weiter vorne dargestellt, im Bereich der Einströmung 10 und des Ausgleichskolbens 4 besonders stark ist. Der Übersicht¬ lichkeit wegen sind die Laufschaufeln 7 nicht dargestellt. Durch die Schraffur in der Figur 3 ist deutlich gemacht, dass die Turbinenwelle 5 aus einem Material ausgebildet ist.
In der Figur 4 ist eine weitere Turbinenwelle 5 dargestellt, wobei diese Turbinenwelle 5 in Strömungsrichtung 13 zumindest zwei Bereiche aus verschiedenen Materialien aufweist. In al¬ ternativen Ausführungsformen kann die Turbinenwelle 5 in axialer Strömungsrichtung 13 drei Bereiche 24, 23, 22 aus verschiedenen Materialien aufweisen. Der mittlere Bereich 22 kann beispielsweise aus einem temperaturfesten 10%igen Chromstahl sein und die beiden äußeren Bereiche 23 und 24 aus dem gleichen Material wie z. B. l%igem Chromstahl bestehen. In der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform wird die Turbinenwelle 5 mittels Schweißverbindungen 25 und 26 miteinander verbunden.
Die Turbinenwelle 5 kann in ihrem mittleren Bereich 22 als Hohlwelle und in ihren äußeren Bereichen 23, 24 als Vollwelle ausgeführt werden.
Sofern die Bereiche 22, 23, 24 miteinander verschweißt werden, wird mindestens eine Schweißnaht verwendet.
Die Turbinenwelle 5 kann aus verschiedenen Materialien beste- henden Bereiche 22, 23, 24 mittels einer Flanschverbindung 40 miteinander verbunden werden, wobei die Zuströmleitung 16 und die Abströmleitung 18 in der Flanschverbindung integriert ist.
In der Figur 5 ist eine alternative Ausführungsform der Turbinenwelle 5 dargestellt. Der Unterschied zu der in Figur 4 dargestellten Turbinenwelle ist der, dass die in Figur 5 dargestellte Turbinenwelle 5 mittels einer Hirth-Verzahnung 27, 28 zusammengesetzt ist. Dabei muss ein Zuganker 29 ausgebil- det werden, der derart angeordnet wird, dass die beiden äuße¬ ren Bereiche 23 und 24 gegen den mittleren Bereich 22 gedrückt werden. Der mittlere Bereich 22 einen oder mehrere Abschnitte umfassen, die röhr- oder scheibenförmig ausgebildet sind und jeweils eine oder mehrere Laufschaufelstufen enthal¬ ten können.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform wird, wie in Figur 6 dargestellt, die Turbinenwelle 5 mittels einer Hirth- Verzahnung 30, 31 miteinander verbunden, wobei die Zuströmleitung 16 und die Abströmleitung 18 in der Hirth-Verzahnung 30, 31 integriert ist.
In der Figur 7 ist eine weitere alternative Ausführungsform der Turbinenwelle 5 dargestellt. Die Turbinenwelle 5 umfasst zumindest zwei aus unterschiedlichen Materialien ausgebildete Bereiche 22' und 23'. Der Bereich 23' wird an den Bereich 22' angeflanscht. Die Verschraubung erfolgt durch geeignete Dehn- schaft-Schrauben 39. Die Flanschverbindung 40 ist dem Stand der Technik gemäß zentriert. Zweckdienlicherweise ist im Be¬ reich 22' ein Gewinde 41 zum Fassen der Schraube 39 ausgebil¬ det. Des Weiteren erfolgt die Verschraubung des Bereichs 23' mit dem Bereich 22' bevorzugt von der kühleren Seite.
In der Figur 8 ist eine Schnittdarstellung der angeschraubten Verbindung aus der Figur 7 zu sehen. Auch in dieser Darstellung ist zu sehen, dass sich die Abströmleitung 18 durch Ausnehmungen in die Verbindung integrieren. Dies ist in einer perspektivischen Darstellung eines Teils der Turbinenwelle 5 in der Figur 5 dargestellt. Durch eine Verbindung der Abströmleitung 18 mit der Schraubenbohrung 43 mittels eines Ringraumes 42 lässt sich die Kühlung der Schrauben realisie¬ ren sowie eine Angleichung der Temperaturen des Flansches (Ausgleichskolben) mit den Schrauben.
In der Figur 10 ist eine perspektivische Darstellung einer Hirth-Verzahnung 30, 31 zu sehen. Der mittlere Bereich 2 weist hierbei eine gemäß Figur 10 dargestellte Hirth-Verzah- nung 30, 31 auf. Genauso weisen die beiden äußeren aus verschiedenen Materialien bestehenden Bereiche 24 und 23 genauso eine Hirth-Verzahnung 30, 31 auf. In der Figur 11 ist eine Querschnittsansicht der Hirth- Verzahnung 30, 31 zu sehen. Der linke Teil ist beispielsweise der linke Bereich 24 und der rechte Teil der mittlere Bereich 22 der über die Hirth-Verzahnung 30 miteinander verbunden ist. Die Zuströmleitung 16 ist in der Hirth-Verzahnung integriert. Die in Figur 11 dargestellte Querschnittsabbildung kann ebenso die Abströmleitung 18 darstellen. In diesem Fall wäre der linke Bereich der mittlere Bereich 22 und der rechte über die Hirth-Verzahnung 31 verbundene Bereich 23. Die Ab- Strömleitung 18 ist in der Hirth-Verzahnung 30, 31 integriert. Die in Figur 11 dargestellte Ausführungsform weist eine dreieckige Verzahnung auf.
Die Zuströmleitung 16 bzw. die Abströmleitung 18 ist über Ausnehmungen 32 der Hirth-Verzahnung 30, 31 ausgebildet.
In der Figur 12 dargestellten Ausführungsform der Hirth-Verzahnung 30, 31 weist diese eine trapezförmige Verzahnung auf. Mögliche Ausführungsformen der Hirth-Verzahnung sind eine Trapez-, rechteckige oder dreieckige Verzahnung. Andere Aus¬ führungsformen sind möglich.
In der Figur 13 sind die relevanten Festigkeitswerte für l%igen und 10%ige Chromstähle für Dampfturbinenwellen ge- zeigt .
Auf der x-Achse 35 ist die Temperatur in einer linearen Skala von 400 bis 6000C aufgetragen. Auf der y-Achse 36 ist die
Zeitstandsfestigkeit Rm,2oooooh in einer linearen Skala von 30
N bis 530 aufgetragen. Die obere Kurve 37 zeigt das mm
Temperaturverhalten für den Werkstoff 30 CrMoΝiV5-ll und die untere Kurve 38 zeigt das Temperaturverhalten für den Werkstoff Xl2CrMoWVNbNlO-l-l.
Es hat sich gezeigt, dass zusätzlich zur erfindungsgemäßen Führung des Kühldampfes eine Auftragung einer Wärmedämm- Schicht auf die Oberflächen der thermisch beanspruchten Bauteile den Effekt der wirksamen Kühlung erhöht.
Durch den Einsatz des Zugankers 29 wird ein Teil der Axial- kräfte übernommen. Dadurch kann die Turbinenwelle 5 dünnwandiger ausgebildet werden, was sich auf die thermische Flexi¬ bilität und die Ausbildung der Radialspiele positiv auswirkt .
Die Erfindung ist nicht auf die Ausbildung einer Hochdruck- Teilturbine als Ausführungsform einer Dampfturbine 1 einzu¬ schränken, die erfindungsgemäße Turbinenwelle 5 kann auch in einer Mitteldruck- oder einer Kompakt-Teilturbine (Hochdruck- und Mitteldruck innerhalb eines Gehäuses) eingesetzt werden. Ebenso kann die Turbinenwelle 5 in anderen Dampfturbinentypen eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Dampfturbine (1) mit einem Gehäuse (2, 3), wobei eine einen Schubausgleichskolben (4) aufweisende Turbinenwelle (5) drehgelagert innerhalb des Gehäuses (2, 3) angeordnet und entlang einer Rotationsachse (6) gerich¬ tet ist, wobei ein Strömungskanal (9) zwischen dem Gehäuse (2, 3) und der Turbinenwelle (5) ausgebildet ist, wobei die Turbinenwelle (5) in ihrem Inneren eine Kühllei¬ tung (17) zur Führung von Kühldampf in Richtung der Rotationsachse (6) aufweist und die Kühlleitung (17) einer¬ seits mit zumindest einer Zuströmleitung (16) zur Zuströ¬ mung von Kühldampf aus dem Strömungskanal (9) in die Kühl- leitung (17) verbunden ist, wobei die Kühlleitung (17) andererseits mit zumindest einer Ab¬ strömleitung (18) zur Führung von Kühldampf auf eine Schubausgleichskolbenmanteloberflache (19) verbunden ist, gekennzeichnet durch eine Rückführungsleitung (21) zur Rückführung eines Mischdampfes, gebildet aus dem Kühldampf und einem Ausgleichs- kolbenleckdampf, wobei die Rückführungsleitung (21) in den Strömungskanal (9) mündet.
2. Dampfturbine (1) nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (2, 3) ein Innengehäuse (3) und ein Außengehäuse (2) umfasst.
3. Dampfturbine (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Turbinenwelle (5) in axialer Richtung (34) zu¬ mindest zwei Bereiche aus verschiedenen Materialien auf¬ weist .
4. Dampfturbine (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Turbinenwelle (5) in axialer Richtung (34) drei Bereiche (22, 23, 24) aus verschiedenen Materialien aufweist .
5. Dampfturbine (1) nach Anspruch 4 wobei die beiden äußeren Bereiche (23, 24) aus dem glei¬ chen Material bestehen.
6. Dampfturbine (1) nach Anspruch 3, 4 oder 5, wobei die aus verschiedenen Materialien (22, 23, 24) umfassenden Bereiche miteinander verschweißt sind.
7. Dampfturbine (1) nach Anspruch 3, 4, 5 oder 6, wobei die Bereiche (23, 24) als Vollwelle und der Bereich (22) als Hohlwelle ausgebildet sind.
8. Dampfturbine (1) nach Anspruch 3, 4, 5 oder 7, wobei die aus verschiedenen Materialien (22, 23, 24) be- stehenden Bereiche mittels einer Hirth-Verzahnung (30, 31) miteinander verbunden sind.
9. Dampfturbine (1) nach Anspruch 3, 4, 5 oder 7, wobei die aus verschiedenen Materialien (22, 23, 24) be- stehenden Bereiche mittels einer Flanschverbindung (40) miteinander verbunden sind.
10. Dampfturbine (1) nach Anspruch 8, wobei die Zuströmleitung (16) und die Abströmleitung (18) in der Hirth-Verzahnung (30, 31) integriert ist.
11. Dampfturbine nach Anspruch 9, wobei die Zuströmleitung (16) und die Abströmleitung (18) in der Flanschverbindung (40) integriert sind.
12. Dampfturbine (1) nach Anspruch 8, wobei die Hirth-Verzahnung (30, 31) eine Trapez-, recht¬ eckige oder dreieckige Verzahnung mit einer als Zuström- (16) und /oder Abströmleitung (18) ausgebildeten Ausneh- mung (32) aufweist.
13. Dampfturbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rückführungsleitung (21) innerhalb des Außenge¬ häuses (2) angeordnet ist.
14. Dampfturbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rückführungsleitung (21) als Bohrung im Innenge¬ häuse (2) ausgebildet ist.
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