EP2396518B1 - Dreischalige dampfturbine mit ventil - Google Patents

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EP2396518B1
EP2396518B1 EP20100703429 EP10703429A EP2396518B1 EP 2396518 B1 EP2396518 B1 EP 2396518B1 EP 20100703429 EP20100703429 EP 20100703429 EP 10703429 A EP10703429 A EP 10703429A EP 2396518 B1 EP2396518 B1 EP 2396518B1
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EP
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valve
housing
ring
diffuser
inner housing
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Andreas Ulma
Thomas Müller
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Siemens AG
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Siemens AG
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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 in 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 with 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 steep that thermal stresses are comparatively high.
  • Two-shell steam turbines are known, for example from the EP 0 128 343 A .
  • the inner casing is arranged around the rotor and the outer casing around the inner casing.
  • 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.
  • 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 way to couple a valve to a three-shell steam turbine, the coupling is structurally simple.
  • 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 connection with the valve diffuser
  • the outer inner housing is connected via a second angular ring connection with the valve diffuser
  • a valve ring is shrunk on the valve diffuser and is adapted to receive the second angular ring connection.
  • the invention is based on the aspect that an existing valve diffuser device only has to be changed slightly in order to be coupled to a three-shell steam turbine. For this purpose, it is necessary that a valve ring is shrunk onto the valve diffuser and is designed such that a receptacle of the second angular ring connection is possible.
  • valve ring has a second Ventilringnut for receiving the second valve ring.
  • a structurally simple solution is specified, with which it is possible to ensure a thermal movement between the valve diffuser and the outer inner housing.
  • valve diffuser for flowing a flow medium in a flow direction and the second Ventilringnut is formed substantially parallel to the flow direction.
  • a steam turbine is, for example, a turbomachine.
  • the turbomachine comprises an inner inner casing 3, an outer inner casing 4 disposed around the inner inner casing 3, and an outer casing 10 disposed around the outer inner casing 4
  • Valve housing 11 is coupled via a flange 12 to the outer housing.
  • a valve diffuser 6 is coupled via a first angular ring connection 13 and a second angle ring connection 14 to the inner inner housing 3 and the outer inner housing 4.
  • a flow channel 9 is formed, in which a hot live steam flows. This hot live steam flows in a flow direction 15 into the steam turbine.
  • a cooling steam In the space 7 between the inner inner housing 3 and the outer inner housing 4 is a cooling steam.
  • the first angle ring connection 13 comprises a first angle ring 1.
  • the first angle ring 1 comprises a first angle ring leg 16 and a second angle ring leg 17.
  • the first angle annular leg 16 is inserted into a mating inner inner housing groove 18.
  • the second angle ring leg 17 is inserted into a matching valve diffuser groove 19.
  • the valve diffuser 6 can execute a movement by thermal expansion in relation to the inner inner housing 3, both in the flow direction 15 and perpendicular to the flow direction 20.
  • the second angle ring connection 14 comprises a second angle ring 2 and a valve ring 5 shrunk onto the valve diffuser 6.
  • the second angle ring 2 comprises a first angle ring leg 21 and a second angle ring leg 22.
  • the first angle ring leg 21 is inserted into a corresponding valve ring groove 23.
  • the second angle ring leg 20 is inserted correspondingly in an outer réellegepurusenut 24.
  • the first angle ring connection 13 and the second angle ring connection 14 allow a movement both in the flow direction 15 and perpendicular to the flow direction 20.
  • the valve ring 5 is by means of common Shrunk methods on the valve diffuser 6.
  • the valve ring groove 23 is in this case formed essentially parallel to the flow direction 15.
  • the inner inner housing groove 18 is formed substantially parallel to the flow direction 15.
  • the valve diffuser groove 19 and the outer inner housing groove 24 are formed substantially perpendicular to the flow direction 15. Due to the vertical arrangement of the inner inner housing groove 18 and the Ventilringnut 23 to the valve diffuser groove 19 and outer inner housing groove 24, a thermal displacement in both the flow direction 15 and perpendicular to the flow direction 20 can be compensated.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine mit einem Ventil, wobei die Strömungsmaschine in 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 steil, 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, z.B aus der EP 0 128 343 A . 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.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit anzubieten, ein Ventil an eine dreischalige Dampfturbine anzukoppeln, wobei die Ankopplung konstruktiv einfach ausgeführt ist.
  • 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 Winkelverbindung mit dem Ventildiffusor verbunden ist, wobei das äußere Innengehäuse über eine zweite Winkelringverbindung mit dem Ventildiffusor verbunden ist, wobei ein Ventilring auf dem Ventildiffusor aufgeschrumpft ist und zum Aufnehmen der zweiten Winkelringverbindung ausgebildet ist.
  • Die Erfindung geht von dem Aspekt aus, dass eine bestehende Ventildiffusoreinrichtung lediglich leicht geändert werden muss, um an eine dreischalige Dampfturbine angekoppelt zu werden. Dazu ist es erforderlich, dass ein Ventilring auf den Ventildiffusor aufgeschrumpft wird und derart ausgebildet ist, dass eine Aufnahme der zweiten Winkelringverbindung möglich ist.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • So ist es vorteilhaft, wenn der Ventilring eine zweite Ventilringnut zum Aufnehmen des zweiten Ventilrings aufweist. Dadurch ist eine konstruktiv einfache Lösung angegeben, mit der es möglich ist, eine Wärmebewegung zwischen dem Ventildiffusor und dem äußeren Innengehäuse zu gewährleisten.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der Ventildiffusor zum Strömen eines Strömungsmediums in einer Strömungsrichtung und die zweite Ventilringnut im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung ausgebildet. Dadurch ist eine Bewegung infolge von thermischen Ausdehnungen sowohl in Strömungsrichtung als auch senkrecht dazu möglich, ohne dass störende thermische Spannungen entstehen.
  • 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 Anbindung eines Ventils.
  • Die FIG 1 zeigt einen Ausschnitt einer dreischaligen Strömungsmaschine. Eine Dampfturbine ist beispielsweise eine Strömungsmaschine. Die Strömungsmaschine umfasst ein inneres Innengehäuse 3, ein um das innere Innengehäuse 3 angeordnetes äußeres Innengehäuse 4 und ein um das äußere Innengehäuse 4 angeordnetes Außengehäuse 10. An das Außengehäuse 10 wird ein Ventilgehäuse 11 über einen Flansch 12 an das Außengehäuse angekoppelt. Ein Ventildiffusor 6 wird über eine erste Winkelringverbindung 13 und eine zweite Winkelringverbindung 14 an das innere Innengehäuse 3 und das äußere Innengehäuse 4 angekoppelt. Innerhalb des Ventildiffusors 6 ist ein Strömungskanal 9 ausgebildet, in dem ein heißer Frischdampf strömt. Dieser heiße Frischdampf strömt in einer Strömungsrichtung 15 in die Dampfturbine. Im Raum 7 zwischen dem inneren Innengehäuse 3 und dem äußeren Innengehäuse 4 befindet sich ein Kühldampf. Im weiteren Raum 8 zwischen dem äußeren Innengehäuse 4 und dem Außengehäuse 10 befindet sich ein Abdampf. Die erste Winkelringverbindung 13 umfasst einen ersten Winkelring 1. Der erste Winkelring 1 umfasst einen ersten Winkelringschenkel 16 und einen zweiten Winkelringschenkel 17 auf. Der erste Winkelringschenkel 16 wird in eine passende innere Innengehäusenut 18 eingeführt. Der zweite Winkelringschenkel 17 wird in eine passende Ventildiffusornut 19 eingeführt. Dadurch kann der Ventildiffusor 6 gegenüber dem inneren Innengehäuse 3 einer Bewegung durch Wärmeausdehnung sowohl in Strömungsrichtung 15 als auch senkrecht zur Strömungsrichtung 20 ausführen.
  • Die zweite Winkelringverbindung 14 umfasst einen zweiten Winkelring 2 und einen auf den Ventildiffusor 6 aufgeschrumpften Ventilring 5 auf. Der zweite Winkelring 2 umfasst einen ersten Winkelringschenkel 21 und einen zweiten Winkelringschenkel 22. Der erste Winkelringschenkel 21 wird in eine entsprechende Ventilringnut 23 eingeführt. Der zweite Winkelringschenkel 20 wird entsprechend in eine äußere Innengehäusenut 24 eingeführt. Durch die erste Winkelringverbindung 13 und die zweite Winkelverbindung 14 ist eine Wärmebewegung des Ventildiffusors 6 relativ zum inneren Innengehäuse 3 und dem äußeren Innengehäuse 4 möglich. Diese Wärmebewegung kann sowohl in Strömungsrichtung 15 als auch senkrecht zur Strömungsrichtung 20 erfolgen. Die erste Winkelringverbindung 13 und die zweite Winkelringverbindung 14 erlauben eine Bewegung sowohl in Strömungsrichtung 15 als auch senkrecht zur Strömungsrichtung 20. Der Ventilring 5 wird mittels gängiger Methoden auf den Ventildiffusor 6 aufgeschrumpft. Die Ventilringnut 23 ist hierbei im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung 15 ausgebildet. Genauso ist die innere Innengehäusenut 18 im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung 15 ausgebildet. Wohingegen die Ventildiffusornut 19 und die äußere Innengehäusenut 24 im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung 15 ausgebildet ist. Durch die senkrechte Anordnung der inneren Innengehäusenut 18 bzw. der Ventilringnut 23 zu der Ventildiffusornut 19 bzw. äußeren Innengehäusenut 24 ist eine thermische Verschiebung sowohl in Strömungsrichtung 15 als auch senkrecht zur Strömungsrichtung 20 kompensierbar.

Claims (3)

  1. Strömungsmaschine mit einem Ventil,
    wobei die Strömungsmaschine ein inneres Innengehäuse (3), ein äußeres Innengehäuse (4) und ein Außengehäuse (10) umfasst,
    wobei das Ventil einen Ventildiffusor (6) und ein Ventilgehäuse (11) umfasst,
    wobei das Ventilgehäuse (11) über einen Ventilflansch (12) mit dem Außengehäuse (10) verbunden ist,
    wobei das innere Innengehäuse (3) über eine erste Winkelringverbindung (13) mit dem Ventildiffusor (6) verbunden ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das äußere Innengehäuse (4) über eine zweite Winkelringverbindung (14) mit dem Ventildiffusor (6) verbunden ist und dass ein Ventilring (5) auf dem Ventildiffusor (6) aufgeschrumpft ist und zum Aufnehmen der zweiten Winkelringverbindung (14) ausgebildet ist.
  2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1,
    wobei der Ventildiffusor (6) zum Strömen eines Strömungsmediums in einer Strömungsrichtung (15) ausgebildet ist und der Ventilring (5) eine Ventilringnut (23) zum Aufnehmen eines zweiten Winkelrings (2) aufweist.
  3. Strömungsmaschine nach Anspruch 2,
    wobei die Ventilringnut (23) im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung (15) ausgebildet ist.
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