EP2216515A1 - Dreischalige Dampfturbine mit Ventil - Google Patents

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EP2216515A1
EP2216515A1 EP09001835A EP09001835A EP2216515A1 EP 2216515 A1 EP2216515 A1 EP 2216515A1 EP 09001835 A EP09001835 A EP 09001835A EP 09001835 A EP09001835 A EP 09001835A EP 2216515 A1 EP2216515 A1 EP 2216515A1
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EP
European Patent Office
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valve
housing
diffuser
valve housing
steam turbine
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09001835A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Dr. Dumstorff
Christoph Kästner
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/141—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of shiftable members or valves obturating part of the flow path
    • F01D17/145—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of shiftable members or valves obturating part of the flow path by means of valves, e.g. for steam turbines
    • 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
    • F01D25/26—Double casings; Measures against temperature strain in casings
    • 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
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/06—Fluid supply conduits to nozzles or the like

Definitions

  • the invention relates to a turbomachine with a valve, wherein the turbomachine comprises an inner inner housing, an outer inner housing and an outer housing, wherein the valve comprises a valve diffuser and a valve housing, wherein the valve housing is connected via a valve flange to the outer housing, wherein the inner inner housing is connected via a first angle ring connection with the valve diffuser.
  • a steam turbine conventionally includes a rotatably mounted rotor and a housing disposed about the rotor. Between the rotor and the inner housing, a flow channel is formed.
  • the housing in a steam turbine must be able to fulfill several functions.
  • the guide vanes are arranged in the flow channel on the housing and, secondly, the inner housing must withstand the pressure and the temperatures of the flow medium for all load and special operating cases.
  • the flow medium is steam.
  • the housing must be designed such that inlets and outlets, which are also referred to as taps, are possible. Another feature that a case must meet is the possibility of a shaft end passing through the case.
  • the high voltages, pressures, and temperatures that occur during operation require that the materials be properly selected and that the design be selected to provide mechanical integrity and functionality. This requires that high-quality materials are used, especially in the area of the inflow and the first Leitschaufelnuten.
  • nickel-base alloys are suitable because they withstand the stresses occurring at high temperatures.
  • the use of such a nickel-based alloy is associated with new challenges.
  • the cost of nickel-base alloys is comparatively high and, in addition, the manufacturability of nickel-base alloys, e.g. limited by limited casting possibilities.
  • the use of nickel-based materials must be minimized.
  • the nickel-based materials are poor heat conductors.
  • the temperature gradients over the wall thickness are so great that thermal stresses are comparatively high.
  • the valve essentially comprises a valve housing and a valve diffuser arranged in the valve.
  • the valve diffuser is usually designed for guiding the flow medium. If the valve diffuser and the inner housing were rigidly coupled together by means of frictional connections, this would lead to stresses and possibly to deformations that are undesirable. Therefore, so-called.
  • Angular ring connections are used. In this case, the valve diffuser and the inner housing each have a groove in which an angle ring is arranged. This results in that a thermal movement can be compensated in both an axial and in a radial direction.
  • a further inner housing is now additionally added between the inner inner housing and the outer housing, which designates the outer inner housing can be.
  • the outer inner housing also performs as a result of thermal changes from a thermal movement, which may possibly interfere with the valve diffuser.
  • Another requirement is that the space between the inner inner casing and the outer inner casing as well as the outer inner casing and the outer casing should be sealed. Nevertheless, mechanical stresses due to thermal movements should be avoided.
  • the object of the invention is to offer a structurally simple solution to couple a valve to a three-shell steam turbine.
  • turbomachine with a valve
  • the turbomachine comprises an inner inner housing, an outer inner housing and an outer housing
  • the valve comprises a valve diffuser and a valve housing
  • the valve housing is connected via a valve flange with the outer housing
  • the inner inner housing is connected via a first angular ring connection with the valve diffuser
  • the valve housing has a valve housing projection and the outer inner housing is coupled via a second angular annular connection with the valve housing projection.
  • valve housing is formed with a valve housing projection and this valve housing projection projects into the steam turbine, wherein the valve housing projection via the second angular connection is coupled with the outer inner housing.
  • valve housing projection is formed with a Ventilgephaseusevorsprungsnut for receiving a second angle ring.
  • angle rings makes it particularly easy to compensate for movement of the inner housing and the valve due to thermal expansion relative to each other. For this purpose, only the angle ring must be received in a corresponding groove.
  • valve diffuser is connected outside the turbomachine to the valve housing.
  • a first gap space between the valve housing projection and the outer housing is formed. Through this gap, the outer casing is thermally decoupled. Since the valve housing projection is formed from the valve housing, a seal between the outer inner housing and the outer housing is inevitably reachable. The valve housing serves, so to speak, as a seal between the outer inner housing and the outer housing. Another seal is therefore not required.
  • a second gap space is formed between the valve housing projection and the valve diffuser. This gap can be acted upon with a cooling steam. As a result, the live steam flowing through the valve diffuser is cooled by the cooling steam located in the second gap space, so that the thermal load of the valve diffuser is reduced.
  • valve diffuser is screwed to the valve housing. This is a easy way to detachably connect the valve diffuser to the valve body.
  • FIG. 1 shows a part of a three-shell steam turbine in cross section.
  • a steam turbine is an embodiment of a turbomachine.
  • a valve is coupled to the steam turbine.
  • the steam turbine comprises an inner inner housing 1, an outer inner housing 2 and an outer housing 3.
  • a valve housing 4 via a flange 5 is detachably connected. This can be done by screws.
  • the valve comprises a valve diffuser 6.
  • the valve diffuser 6 is coupled via a first angular ring connection 7 to the inner inner housing 1.
  • the valve housing 4 is coupled via a second angle ring connection 8 to the outer inner housing 2.
  • the valve housing 4 has a valve housing projection 9, which projects into the steam turbine.
  • the valve housing projection 9 is designed to run slightly longer than the valve housing 4 to the flange 5. Between the valve housing projection 9 and the outer housing 3 and the valve housing 4, a first gap space 10 is formed, which is filled with an exhaust steam.
  • the valve housing 4, the flange 5 and the valve housing projection 9 are made of one piece material.
  • the second angle connection 8 comprises a second angle ring 11.
  • the second angle ring 11 comprises a first angle ring leg 12 and a second angle ring leg 13, wherein the first angle ring leg 12 is substantially perpendicular to the second angle ring leg 13.
  • the first angle ring leg 12 is inserted into a matching groove in the outer inner housing 2.
  • the second angle ring leg 13 is inserted accordingly into a groove in the valve housing projection 9.
  • the first angle ring connection 7 has a first angle ring 14 which comprises a first angle ring leg 15 and a second angle ring leg 16 formed perpendicular thereto.
  • the first angle ring leg 15 is inserted into a corresponding groove in the inner inner housing 1.
  • the second angle ring leg 16 is also inserted into a corresponding groove in the valve diffuser 6.
  • the valve diffuser 6 is designed such that a contact between the valve diffuser 6 and the valve housing 4 is formed outside of the steam turbine. Outside is a touch outside the opening 17 of the outer housing 3 to understand.
  • a second gap space 18 is formed, in which a cooling steam can be flowed.
  • the cooling steam located in the gap 18 can cool the thermally heavily loaded valve diffuser 6, whereby the thermal load of the valve diffuser 6 is reduced.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine mit einem Ventil, wobei die Strömungsmaschine ein inneres Innengehäuse (1), ein äußeres Innengehäuse (2) und ein Außengehäuse (3) umfasst, wobei das Ventil über zwei Winkelringverbindungen (8, 7) an die Strömungsmaschine angekoppelt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine mit einem Ventil, wobei die Strömungsmaschine ein inneres Innengehäuse, ein äußeres Innengehäuse und ein Außengehäuse umfasst, wobei das Ventil einen Ventildiffusor und ein Ventilgehäuse umfasst, wobei das Ventilgehäuse über einen Ventilflansch mit dem Außengehäuse verbunden ist, wobei das innere Innengehäuse über eine erste Winkelringverbindung mit dem Ventildiffusor verbunden ist.
  • Unter einer Strömungsmaschine wird beispielsweise eine Dampfturbine verstanden. Eine Dampfturbine weist üblicher Weise einen drehbar gelagerten Rotor und ein Gehäuse, das um den Rotor angeordnet ist auf. Zwischen dem Rotor und dem Innengehäuse ist ein Strömungskanal ausgebildet. Das Gehäuse in einer Dampfturbine muss mehrere Funktionen erfüllen können. Zum einen werden die Leitschaufeln im Strömungskanal am Gehäuse angeordnet und zum zweiten muss das Innengehäuse den Druck und den Temperaturen des Strömungsmediums für alle Last- und besondere Betriebsfälle standhalten. Bei einer Dampfturbine ist das Strömungsmedium Dampf. Des Weiteren muss das Gehäuse derart ausgebildet sein, dass Zu- und Abführungen, die auch als Anzapfungen bezeichnet werden, möglich sind. Eine weitere Funktion, die ein Gehäuse erfüllen muss, ist die Möglichkeit, dass ein Wellenende durch das Gehäuse durchgeführt werden kann.
  • Bei den im Betrieb auftretenden hohen Spannungen, Drücken und Temperaturen ist es erforderlich, dass die Werkstoffe geeignet ausgewählt werden sowie die Konstruktion derart gewählt ist, dass die mechanische Integrität und Funktionalität ermöglicht wird. Dafür ist es erforderlich, dass hochwertige Werkstoffe zum Einsatz kommen, insbesondere im Bereich der Einströmung und der ersten Leitschaufelnuten.
  • Für die Anwendungen bei Frischdampftemperaturen von über 650°C, wie z.B. 700°C, sind Nickel-Basis-Legierungen geeignet, da sie den bei hohen Temperaturen auftretenden Belastungen standhalten. Allerdings ist die Verwendung einer solchen Nickel-Basis-Legierung mit neuen Herausforderungen verbunden. So sind die Kosten für Nickel-Basis-Legierungen vergleichsweise hoch und außerdem ist die Fertigbarkeit von Nickel-Basis-Legierungen, z.B. durch beschränkte Gussmöglichkeit begrenzt. Dies führt dazu, dass die Verwendung von Nickel-Basis-Werkstoffen minimiert werden muss. Des Weiteren sind die Nickel-Basis-Werkstoffe schlechte Wärmeleiter. Dadurch sind die Temperaturgradienten über der Wandstärke so groß, dass Thermospannungen vergleichsweise hoch sind. Des Weiteren ist zu berücksichtigen, dass bei der Verwendung von Nickel-Basis-Werkstoffen die Temperaturdifferenz zwischen Ein- und Auslass der Dampfturbine steigt.
  • Zweischalige Dampfturbinen sind bekannt. Bei einer zweischaligen Dampfturbine wird das Innengehäuse um den Rotor und das Außengehäuse um das Innengehäuse angeordnet. Infolge von Temperaturänderungen kann es zu Bewegungen des Innengehäuses relativ zum Ventil kommen. Das Ventil umfasst im Wesentlichen ein Ventilgehäuse und einen im Ventil angeordneten Ventildiffusor. Der Ventildiffusor ist üblicher Weise zur Führung des Strömungsmediums ausgebildet. Wenn der Ventildiffusor und das Innengehäuse starr mittels kraftschlüssiger Verbindungen miteinander gekoppelt wären, würde dies zu Spannungen und ggf. zu Verformungen führen, die unerwünscht sind. Daher werden sog. Winkelringverbindungen eingesetzt. Dabei weisen der Ventildiffusor und das Innengehäuse jeweils eine Nut auf, in die ein Winkelring angeordnet ist. Dies führt dazu, dass eine Wärmebewegung sowohl in einer axialen als auch in einer radialen Richtung ausgeglichen werden kann.
  • Bei dreischaligen Dampfturbinen kommt nun zusätzlich zwischen dem inneren Innengehäuse und dem Außengehäuse ein weiteres Innengehäuse hinzu, das als äußeres Innengehäuse bezeichnet werden kann. Das äußere Innengehäuse führt ebenfalls in Folge von thermischen Veränderungen eine Wärmebewegung aus, die sich ggf. störend auf den Ventildiffusor auswirken kann. Eine weitere Anforderung besteht darin, dass der Raum zwischen dem inneren Innengehäuse und dem äußeren Innengehäuse sowie dem äußeren Innengehäuse und dem Außengehäuse abgedichtet werden sollte. Dennoch sollten aber mechanische Spannungen in Folge von Wärmebewegungen vermieden werden.
  • Wünschenswert wäre es, eine konstruktiv einfache Möglichkeit zu haben, das äußere Innengehäuse an den Ventildiffusor ankoppeln zu können.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine konstruktiv einfache Lösung anzubieten, ein Ventil an eine dreischalige Dampfturbine anzukoppeln.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Strömungsmaschine mit einem Ventil, wobei die Strömungsmaschine ein inneres Innengehäuse, ein äußeres Innengehäuse und ein Außengehäuse umfasst, wobei das Ventil einen Ventildiffusor und ein Ventilgehäuse umfasst, wobei das Ventilgehäuse über einen Ventilflansch mit dem Außengehäuse verbunden ist, wobei das innere Innengehäuse über eine erste Winkelringverbindung mit dem Ventildiffusor verbunden ist, wobei das Ventilgehäuse einen Ventilgehäusevorsprung aufweist und das äußere Innengehäuse über eine zweite Winkelringverbindung mit dem Ventilgehäusevorsprung gekoppelt ist.
  • Mit solch einer Ausführungsform ist es konstruktiv einfach, ein Ventil an eine dreischalige Dampfturbine anzukoppeln, da keine weiteren Komponenten als das Ventilgehäuse und der Ventildiffusor benötigt werden.
  • Die Erfindung geht von dem Aspekt aus, dass das Ventilgehäuse mit einem Ventilgehäusevorsprung ausgebildet wird und dieser Ventilgehäusevorsprung in die Dampfturbine hineinragt, wobei der Ventilgehäusevorsprung über die zweite Winkelverbindung mit dem äußeren Innengehäuse gekoppelt wird. Somit sind keine zusätzlichen Bauteile nötig, um das äußere Innengehäuse mit dem Ventil zu koppeln.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung ist der Ventilgehäusevorsprung mit einer Ventilgehäusevorsprungsnut zum Aufnehmen eines zweiten Winkelringes ausgebildet. Die Verwendung von Winkelringen macht es besonders einfach eine Bewegung des Innengehäuses und des Ventils infolge von thermischen Ausdehnungen relativ zueinander auszugleichen. Dazu muss lediglich der Winkelring in eine entsprechende Nut aufgenommen werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der Ventildiffusor außerhalb der Strömungsmaschine mit dem Ventilgehäuse verbunden.
  • Vorteilhafterweise ist ein erster Spaltraum zwischen dem Ventilgehäusevorsprung und dem Außengehäuse ausgebildet. Durch diesen Spaltraum wird das Außengehäuse thermisch entkoppelt. Da der Ventilgehäusevorsprung aus dem Ventilgehäuse ausgebildet wird, ist zwangsläufig eine Dichtung zwischen dem äußeren Innengehäuse und dem Außengehäuse erreichbar. Das Ventilgehäuse dient sozusagen als Dichtung zwischen dem äußeren Innengehäuse und dem Außengehäuse. Eine weitere Dichtung ist daher nicht erforderlich. In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist ein zweiter Spaltraum zwischen dem Ventilgehäusevorsprung und dem Ventildiffusor ausgebildet. Dieser Spaltraum kann mit einem Kühldampf beaufschlagt werden. Dies führt dazu, dass der durch den Ventildiffusor strömende Frischdampf durch dem im zweiten Spaltraum befindlichen Kühldampf abgekühlt wird, so dass die thermische Beanspruchung des Ventildiffusors verringert ist.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der Ventildiffusor mit dem Ventilgehäuse verschraubt. Dies ist eine einfache Möglichkeit, den Ventildiffusor lösbar mit dem Ventilgehäuse zu verbinden.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben. Diese soll das Ausführungsbeispiel nicht maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wozu Erläuterungen dienen, in schematischer und/oder leicht versetzter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen.
    • Es zeigt:
    • FIG 1
    eine Querschnittsansicht einer dreischaligen Dampfturbine mit einem Ventil.
  • Die FIG 1 zeigt einen Teil einer dreischaligen Dampfturbine im Querschnitt. Eine Dampfturbine ist eine Ausführungsform einer Strömungsmaschine. An die Dampfturbine wird ein Ventil angekoppelt. Die Dampfturbine umfasst ein inneres Innengehäuse 1, ein äußeres Innengehäuse 2 und ein Außengehäuse 3. An das Außengehäuse 3 wird ein Ventilgehäuse 4 über einen Flansch 5 lösbar angebunden. Dies kann über Schrauben erfolgen. Des Weiteren umfasst das Ventil einen Ventildiffusor 6. Innerhalb des inneren Innengehäuses 1 ist ein nicht dargestellter Rotor drehbar gelagert. Der Ventildiffusor 6 wird über eine erste Winkelringverbindung 7 an das innere Innengehäuse 1 angekoppelt. Das Ventilgehäuse 4 wird über eine zweite Winkelringverbindung 8 an das äußere Innengehäuse 2 angekoppelt. Das Ventilgehäuse 4 weist einen Ventilgehäusevorsprung 9 auf, der in die Dampfturbine hineinragt. Der Ventilgehäusevorsprung 9 ist dafür etwas länger ausgeführt als das Ventilgehäuse 4 bis zum Flansch 5. Zwischen dem Ventilgehäusevorsprung 9 und dem Außengehäuse 3 und dem Ventilgehäuse 4 ist ein erster Spaltraum 10 ausgebildet, der mit einem Abdampf ausgefüllt ist. Das Ventilgehäuse 4, der Flansch 5 und der Ventilgehäusevorsprung 9 sind materialeinstückig ausgeführt. Die zweite Winkelverbindung 8 umfasst einen zweiten Winkelring 11. Der zweite Winkelring 11 umfasst einen ersten Winkelringschenkel 12 und einen zweiten Winkelringschenkel 13 auf, wobei der erste Winkelringschenkel 12 im Wesentlichen senkrecht zum zweiten Winkelringschenkel 13 steht. Der erste Winkelringschenkel 12 wird in eine passende Nut im äußeren Innengehäuse 2 eingeführt. Der zweite Winkelringschenkel 13 wird entsprechend in eine Nut im Ventilgehäusevorsprung 9 eingeführt. Solch eine Anordnung erlaubt eine wärmebewegliche Bewegung des äußeren Innengehäuses 2 in Richtung des ersten Winkelringschenkels 12 und in die Richtung des zweiten Winkelringschenkels 13.
  • Die erste Winkelringverbindung 7 weist einen ersten Winkelring 14 auf, der einen ersten Winkelringschenkel 15 und einen senkrecht dazu ausgebildeten zweiten Winkelringschenkel 16 umfasst. Der erste Winkelringschenkel 15 wird in eine entsprechende Nut im inneren Innengehäuse 1 eingeführt. Der zweite Winkelringschenkel 16 wird ebenso in eine entsprechende Nut im Ventildiffusor 6 eingeführt. Der Ventildiffusor 6 wird derart ausgebildet, dass ein Kontakt zwischen dem Ventildiffusor 6 und dem Ventilgehäuse 4 außerhalb der Dampfturbine entsteht. Unter außerhalb ist eine Berührung außerhalb der Öffnung 17 des Außengehäuses 3 zu verstehen. Zwischen dem Ventildiffusor 6 und dem Ventilgehäuse 4 und dem Ventilgehäusevorsprung 9 ist ein zweiter Spaltraum 18 ausgebildet, in dem ein Kühldampf strömbar ist. Der im Spaltraum 18 befindliche Kühldampf kann den thermisch stark belasteten Ventildiffusor 6 kühlen, wodurch die thermische Belastung des Ventildiffusors 6 verringert wird.

Claims (6)

  1. Strömungsmaschine mit einem Ventil,
    wobei die Strömungsmaschine ein inneres Innengehäuse (1), ein äußeres Innengehäuse (2) und ein Außengehäuse (3) umfasst,
    wobei das Ventil einen Ventildiffusor (6) und ein Ventilgehäuse (4) umfasst,
    wobei das Ventilgehäuse (4) über einen Ventilflansch (5) mit dem Außengehäuse (3) verbunden ist,
    wobei das Innere im Gehäuse (1) über eine erste Winkelverbindung (7) mit dem Ventildiffusor (6) verbunden ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das äußere Innengehäuse (2) über eine zweite Winkelringverbindung mit dem Ventilgehäuse (4,9) verbunden ist.
  2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1,
    wobei das Ventilgehäuse (4) einen Ventilgehäusevorsprung (9) aufweist,
    wobei der Ventilgehäusevorsprung (9) eine Ventilgehäusevorsprungsnut zum Aufnehmen des zweiten Winkelringes (11) aufweist.
  3. Strömungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2,
    wobei der Ventildiffusor (6) außerhalb der Strömungsmaschine mit dem Ventilgehäuse (4) verbunden ist.
  4. Strömungsmaschine nach Anspruch 2 oder 3,
    wobei ein erster Spaltraum (10) zwischen dem Ventilgehäusevorsprung (9) und dem Außengehäuse (3) ausgebildet ist.
  5. Strömungsmaschine nach Anspruch 2,3 oder 4,
    wobei ein zweiter Spaltraum (18) zwischen dem Ventilgehäusevorsprung (9) und dem Ventildiffusor (6) ausgebildet ist.
  6. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei der Ventildiffusor (6) mit dem Ventilgehäuse (4) verschraubt ist.
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