EP2467582B1 - Dampfturbine - Google Patents

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EP2467582B1
EP2467582B1 EP10745589.1A EP10745589A EP2467582B1 EP 2467582 B1 EP2467582 B1 EP 2467582B1 EP 10745589 A EP10745589 A EP 10745589A EP 2467582 B1 EP2467582 B1 EP 2467582B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electron beam
steam
steam turbine
chamber
beam apparatus
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP10745589.1A
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP2467582A1 (de
Inventor
Thomas Hammer
Norbert Sürken
Norbert Wenzel
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
Publication of EP2467582A1 publication Critical patent/EP2467582A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2467582B1 publication Critical patent/EP2467582B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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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
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/32—Collecting of condensation water; Drainage ; Removing solid particles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K7/00—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating
    • F01K7/16—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/16—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying an electrostatic field to the body of the heat-exchange medium
    • 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
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/30—Application in turbines
    • F05D2220/31—Application in turbines in steam turbines
    • 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
    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/01—Purpose of the control system
    • F05D2270/17—Purpose of the control system to control boundary layer
    • F05D2270/172—Purpose of the control system to control boundary layer by a plasma generator, e.g. control of ignition

Definitions

  • the invention relates to a steam turbine with an attached to the steam turbine electron beam apparatus according to the preamble of patent claim 1.
  • the condensation of the steam usually occurs delayed. That is, the condensation occurs particularly at vapor pressures substantially above the saturation vapor pressure for the temperature prevailing at the point of condensation. There is thus a supersaturated or supercooled vapor.
  • the delayed condensation of the steam leads to thermodynamic losses in the steam turbine, so-called relaxation losses.
  • Electron beams ensure a uniform ionization of the vapor and thus promote the condensation to the finest droplets (in contrast to a giant drop formation on condensation from supersaturated steam). This increases the efficiency of the low-pressure steam turbine and prevents drop impact erosion.
  • the ionization with electron beams is energetically efficient.
  • the energy consumption for the electron beam generation is about 1 ⁇ of the possible energy gain through the efficiency increase of the steam turbine. In order to be able to use this advantage, however, it is necessary to inject the electron beam into the steam turbine as lossless as possible and at the same time with little maintenance.
  • the object of the invention is to make the connection of an electron beam apparatus to the steam space of a steam turbine so that the life of the electron beam apparatus is increased compared to the prior art.
  • the steam turbine according to the invention according to claim 1 has an attached thereto electron beam apparatus, which serves for introducing an electron beam in a steam space of the steam turbine.
  • the steam turbine is characterized in that an opening in a turbine wall is provided in a connection region of the electron beam apparatus to the steam turbine, through which the electron beam enters the steam path of the steam turbine.
  • the electron beam apparatus has at least two chambers through which the electron beam passes, wherein the at least two chambers have a different pressure level.
  • the term opening is understood to mean that vapor molecules can pass through this opening into a first chamber of the electron beam apparatus.
  • the opening is thus not closed by a closed window, for example by a film, vapor-tight.
  • a completely closed electron beam window can be destroyed by vapor particles, as mentioned in the introduction.
  • the electron beam apparatus is followed by a differential pumping system comprising at least two chambers, each chamber having a different pressure level dropping to the electron beam generating means. This ensures that in the region of the electron beam generator, the vacuum necessary for electron beam generation, as a rule a fine vacuum, is present.
  • a first chamber of the electron beam apparatus has a connecting line to an output region of the steam turbine.
  • This connection to the low-pressure region of the low-pressure steam turbine acts analogously to a water jet pump, whereby the vapor pressure in the first chamber is already reduced to a value which is advantageous for subsequent pumps to produce a finer vacuum.
  • a second chamber of the electron beam apparatus is connected to a multi-stage steam jet vacuum pump.
  • the steam jet vacuum pump can receive a steam feed line from a steam path of the steam turbine.
  • the multi-stage steam jet vacuum pump may have a cooling water supply from a cooling water circuit of the steam turbine.
  • a third chamber of the electron beam apparatus may be provided, to which a fine vacuum pump is applied.
  • a closed electron exit window is located in a wall to the steam chamber of the steam turbine, but between the first and the second chamber of the electron beam apparatus or between the second and the third chamber of the electron beam apparatus is arranged.
  • the prevailing vacuum can already be sufficiently low that destruction of the window is unlikely and thus likewise the lifetime of the electron beam apparatus is increased.
  • the electron beam enters an angle in the vapor space, which is less than 90 ° with respect to a rotor axis of the steam turbine. In this way, the entry of steam through the opening in the first chamber of the electron beam apparatus can be reduced. This reduction of vapor in the first chamber of the electron beam apparatus can also be achieved by deflecting the electron beam in the electron beam apparatus.
  • FIG. 1 a cross section through a steam turbine 2 with a rotor 3 is shown, wherein on the rotor 3 turbine blades 9 are arranged.
  • the steam turbine 2 has a steam space 8, which is delimited by a turbine wall 14. Steam flows through the steam space 8, which is illustrated by the steam path 28.
  • An electron beam apparatus 4 is arranged on the turbine wall 14, wherein an opening 12 in the turbine wall 14 is provided in a connection region 10 of the electron beam apparatus 4 to the steam turbine 2, through which an electron beam 6 is introduced into the vapor space 8.
  • the electron beam apparatus 4 is arranged at a location of the steam turbine 2, on which there is a vapor pressure in the vapor space 8 between about 800 hPa and 1200 hPa.
  • a vapor pressure it is expedient, as described in detail, to ionize the vapor particles by the electron beam 6 in such a way that a condensation of the water vapor takes place on the ionized particles, the condensation occurring in the form of small droplets.
  • a giant drop growth as happens in the condensation of a supersaturated vapor, is avoided by the ionization by the electron beam 6.
  • thermodynamic relaxation loss is minimized.
  • the initially described braking losses of the turbine blades which are caused by the impact of large droplets from unfavorable direction, also minimized.
  • an opening 12 in the wall 14 of the steam turbine 2 is provided, which is located in the connection region 10 of the electron beam apparatus 4 to the steam turbine 2 ( FIG. 2 ).
  • This opening 12 is in the form of a slit-shaped aperture (width of the opening is preferred between 0.1 mm and 3 mm), wherein the electron beam 6 is fanned out by an electron optics consisting of electromagnetic lenses 52 in a plane along the slot of the opening 12.
  • the opening 12 is characterized in that it is not covered by a protective film or another closed window, as provided for in the prior art.
  • the opening 12 is designed in such a way that steam particles can pass from the vapor space 8 into a first chamber 16 of the electron beam apparatus 4.
  • the chamber 16 is provided with a connecting line 20 which extends from the chamber 16 into an exit region 22 (cf. Fig. 1 ) of the steam turbine 2 leads.
  • a negative pressure in the chamber 1 is generated by the negative pressure, which is present in the output region 22 of the steam turbine 2 and which is approximately between 30 hPa and 50 hPa.
  • the pressure in the chamber 1 is thus also at about 30 hPa to 50 hPa.
  • a diaphragm 50 which leads to a second chamber 18, in which a fine vacuum is present, which preferably has less than 1 hPa pressure.
  • This second chamber 18 is connected in a preferred embodiment of a multi-stage steam jet vacuum pump.
  • This multi-stage steam jet vacuum pump can be integrated in an advantageous manner in the cooling water circuit of the condenser of the steam turbine 2. This integration is still in relation to the description of the FIG. 4 explained in more detail.
  • FIG. 2 Now another third chamber 34 is used, which in turn is connected to a high vacuum pump 36.
  • This high vacuum pump may be either a rotary vane pump or a turbomolecular pump.
  • a high vacuum (10 -3 hPa to 10 -7 hPa) is generated.
  • the chamber 34 is in turn is connected to an electron beam generator 43 in which the electron beam 6 is generated via a cathode 46 and via an electromagnetic lens 52 to an anode 48.
  • the electron beam 6 continues to pass through a plurality of electromagnetic lenses 52 and aperture 50 in the vapor space 8. It is according to the embodiment of FIG. 2 provided on any of the apertures 50, a closed window through which the electron beam would have to pass.
  • the electron beam generator 43 corresponds to a second chamber with a different pressure level with respect to the first chamber 16. With the pressure of approximately 30 hPa in the chamber 16 in this embodiment, the probability that the window 49 is in particular in the form of a thin titanium foil is designed, destroyed, very low.
  • the region of the electron gun 43 would then be directly connected to a high vacuum pump, which in FIG. 3 not shown in detail, are connected. The space of the electron beam generation in the electron gun 43 would thus be completely completed by the steam chamber 8 of the steam turbine 2.
  • FIG. 4 schematically a power plant 53 is shown, which in particular has a high pressure turbine 54 and a low pressure steam turbine 2. Both turbines 54 and 2 together drive a generator 59.
  • the power plant 53 comprises according to FIG. 4 Further, a feed water tank 55, a low-pressure water heater 56, the condenser 57, a condenser pump 58 and the aforementioned generator 59. Further, a cooling water supply line 60 from the condenser 57 to the multi-stage steam jet vacuum pump 24 is provided. Further, a condenser outlet 62 from the steam jet vacuum pump 24 to the condenser 57 is provided.
  • the steam jet vacuum pump 24 is supplied with steam by a steam supply 61.
  • the steam jet vacuum pump 24 which in the example FIG. 4 and in the enlarged view FIG. 5 is shown only schematically and in Fig. 6 shown in more detail, has in several stages a plurality of containers (capacitors 63), in which condensation takes place. It has a suction connection 64, which draws the molecules from the chamber 18 to be sucked off, this suction connection 64 is coupled to the steam supply line 61. In several stages, the vapor from the chamber 18 is condensed in the capacitors 63 and the condensate discharged via the condensate drain 62 into the condenser 57 of the power plant. To realize the condensation in the steam jet vacuum pump 24, the cooling of the individual capacitors 63 in the pump 24 is also carried out via a cooling water supply line 60.
  • the multistage, differential vacuum system of the electron beam apparatus 4 thus accesses an already existing infrastructure in the area of the power station and is thus completely integrated into it. The energy consumption and the maintenance of the Pümpsystem the electron beam apparatus 4 are thus minimized. It is therefore at least to the area of the second chamber 18 resorted to pumps that have no moving parts and thus are easier to maintain maintenance.
  • the electron beam apparatus 4 may also be expedient to attach the electron beam apparatus 4 in such a way that the entering electron beam 6 is not perpendicular to a rotor axis of the rotor 3, ie that the angle between the rotor axis and the electron beam is less than 90 °.
  • the entry of vapor molecules through the opening 12 in the first chamber 16 is made difficult, which facilitates the generation of a negative pressure or vacuum in the chamber 16.
  • Another measure that leads to the same effect is to redirect the electron beam and its beam path one or more times.
  • various metallic plates arranged at a suitable angle can be used. Suitable metals such as gold, silver, copper or aluminum have a corresponding reflection of the electron beam for certain angles, so that they can serve as mirrors and deflecting elements of the electron beam.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Dampfturbine mit einer an die Dampfturbine angebrachten Elektronenstrahlapparatur nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • In Niederdruckdampfturbinen tritt die Kondensation des Dampfes in der Regel verzögert ein. Das bedeutet, die Kondensation tritt insbesondere bei Dampfdrücken ein, die wesentlich über dem Sättigungsdampfdruck für die am Ort der Kondensation vorherrschende Temperatur liegen. Es herrscht somit ein übersättigter oder ein unterkühlter Dampf vor. Durch die verzögerte Kondensation des Dampfes kommt es zu thermodynamischen Verlusten in der Dampfturbine, so genannten Relaxationsverlusten.
  • Hinzu kommen noch Verluste aufgrund der Bildung von vergleichsweise großen Tröpfchen aus übersättigtem Dampf. Aufgrund der Massenträgheit folgen große Tröpfchen der Dampfströmung nicht besonders gut. Zu diesen kinematischen Verlusten kommt es dabei zu inneren Reibungsverlusten in der Zweiphasenströmung (Schleppverluste) und durch den Aufprall der großen Tröpfchen auf die schnell umlaufenden Schaufeln. Diese Verluste werden auch als Bremsverluste bezeichnet.
  • Im Weiteren kommt es noch zu einer Erosion, die dadurch zustande kommt, dass sich auf den Turbinenschaufeln ein Wasserfilm bildet (Aufprall von Tröpfchen, die stromauf der betrachteten Turbinenschaufel entstanden sind), der die Quelle sehr grober, im Normalfall stark positiv geladener Tröpfchen ist, die vom Dampf nur unzureichend beschleunigt werden. Daher prallen derartige Tröpfchen mit hoher Relativgeschwindigkeit unter einem ungünstigen Winkel auf die nachfolgenden Turbinenschaufeln auf (Tropfenschlag). Dort kommt es dann zu chemischer und mechanischer Erosion.
  • Zur Behebung dieser Problematik wurde bereits in der DE 10 2005 046 721 B3 vorgeschlagen, einen Elektronenstrahl in den Dampfpfad der Dampfturbine einzuleiten. Elektronenstrahlen sorgen für eine gleichmäßige Ionisation des Dampfes und fördern so die Kondensation zu feinsten Tröpfchen (im Gegensatz zu einer Riesentropfenbildung bei Kondensation aus übersättigtem Dampf). Das erhöht den Wirkungsgrad der Niederdruckdampfturbine und verhindert Tropfenschlagerosion. Die Ionisation mit Elektronenstrahlen ist energetisch effizient. Der Energieverbrauch für die Elektronenstrahlerzeugung beträgt ca. 1 ‰ des möglichen Energiegewinns durch die Wirkungsgradsteigerung der Dampfturbine. Um diesen Vorteil nutzen zu können, ist aber eine möglichst verlustfreie und gleichzeitig wartungsarme Einkopplung des Elektronenstrahls in die Dampfturbine erforderlich. Durch die in der DE 10 2005 046 721 B3 vorgeschlagene Einleitung eines Elektronenstrahls in die Dampfturbine ist zwar ein Weg für die energetisch effiziente Dampfionisation aufgezeigt, die Frage einer Einkopplung der Elektronenstrahlen in die Dampfturbine ist aber noch verbesserungswürdig. Bereits unter normalen Betriebsbedingungen (z. B. Luft bei Atmosphärendruck als Medium, mit dem das Elektronenstrahlaustrittsfenster in Kontakt kommt und Elektronenenergien ab 150 k Elektronenvolt) reicht die Robustheit des Fensters unter Umständen nicht für einen Dauerbetrieb von mehr als 3000 h aus. Im Falle des Kontaktes mit Wasserdampf ist mit einer Korrosion zu rechnen, die die Lebensdauer des Elektronenaustrittsfensters noch reduziert. Sollte Kondensation von Wasser auf dem Fenster erfolgen, das normalerweise aus einer nur typischerweise 10 µm dünnen Titanfolie besteht, dann kann das Wasser bei Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl explosiv verdampfen. Dies würde zu einer sofortigen Zerstörung des Fensters führen.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Anbindung einer Elektronenstrahlapparatur an den Dampfraum einer Dampfturbine so zu gestalten, dass die Lebensdauer der Elektronenstrahlapparatur gegenüber dem Stand der Technik erhöht wird.
  • Die Lösung der Aufgabe besteht in einer Dampfturbine mit einer an dieser Dampfturbine angebrachten Elektronenstrahlapparatur mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
  • Die erfindungsgemäße Dampfturbine nach Patentanspruch 1 weist eine an diese angebrachte Elektronenstrahlapparatur auf, die zur Einbringung eines Elektronenstrahls in einem Dampfraum der Dampfturbine dient. Die Dampfturbine zeichnet sich dadurch aus, dass in einem Anbindungsbereich der Elektronenstrahlapparatur an die Dampfturbine eine Öffnung in einer Turbinenwand vorgesehen ist, durch die der Elektronenstrahl in den Dampfpfad der Dampfturbine eintritt. Dabei weist die Elektronenstrahlapparatur mindestens zwei Kammern auf, durch die der Elektronenstrahl verläuft, wobei die mindestens zwei Kammern ein unterschiedliches Druckniveau aufweisen.
  • Unter dem Begriff Öffnung wird hierbei verstanden, dass Dampfmoleküle durch diese Öffnung in eine erste Kammer der Elektronenstrahlapparatur gelangen können. Die Öffnung ist somit nicht durch ein geschlossenes Fenster, beispielsweise durch eine Folie, dampfdicht verschlossen. Somit besteht auch nicht die Gefahr, dass ein vollständig geschlossenes Elektronenstrahlfenster durch Dampfpartikel, wie einleitend erwähnt, zerstört werden kann. Des Weiteren folgt in der Elektronenstrahlapparatur ein differentielles Pumpsystem, das mindestens zwei Kammern umfasst, wobei jede Kammer ein unterschiedliches, zur Elektronenstrahlerzeugungseinrichtung abfallendes Druckniveau aufweist. Somit wird gewährleistet, dass im Bereich des Elektronenstrahlerzeugers das für die Elektronenstrahlerzeugung notwendige Vakuum, in der Regel ein Feinvakuum, anliegt.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung weist eine erste Kammer der Elektronenstrahlapparatur eine Verbindungsleitung zu einem Ausgangsbereich der Dampfturbine auf. Diese Verbindung zu dem Niederdruckbereich der Niederdruckdampfturbine wirkt analog eine Wasserstrahlpumpe, wodurch der Dampfdruck in der ersten Kammer bereits auf einen Wert reduziert wird, der für nachfolgende Pumpen zur Herstellung eines feineren Vakuums vorteilhaft ist.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung ist eine zweite Kammer der Elektronenstrahlapparatur an eine mehrstufige Dampfstrahlvakuumpumpe angeschlossen. Die Dampfstrahlvakuumpumpe kann wiederum in vorteilhafter Ausgestaltungsform eine Dampfzuleitung aus einem Dampfpfad der Dampfturbine erhalten. Ferner kann die mehrstufige Dampfstrahlvakuumpumpe eine Kühlwasserzuleitung aus einem Kühlwasserkreislauf der Dampfturbine aufweisen.
  • Diese Maßnahmen können als eine Art Integration der Dampfstrahlvakuumpumpe in die Dampfversorgung der Niederdruckdampfturbine bzw. in deren Kühlwasserkreislauf bezeichnet werden.
  • Neben den Vorvakuumkammern (der ersten und der zweiten bereits beschriebenen Kammern) kann eine dritte Kammer der Elektronenstrahlapparatur vorgesehen sein, an die eine Feinvakuumpumpe angelegt ist.
  • Zur besseren Erzielung eines Feinvakuums kann in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ein geschlossenes Elektronenaustrittsfenster vorgesehen sein, das sich jedoch nicht, wie im Stand der Technik beschrieben, in einer Wand zum Dampfraum der Dampfturbine befindet, sondern das zwischen der ersten und der zweiten Kammer der Elektronenstrahlapparatur oder zwischen der zweiten und der dritten Kammer der Elektronenstrahlapparatur angeordnet ist. Bereits nach der ersten Kammer der Elektronenstrahlapparatur kann das dort vorherrschende Vakuum bereits ausreichend niedrig sein, dass eine Zerstörung des Fensters unwahrscheinlich wird und somit ebenfalls die Lebensdauer der Elektronenstrahlapparatur erhöht wird. In den nachfolgenden Kammern kann durch ein derartig ausgestaltetes Fenster die weitere Vakuumerzeugung erleichtert werden. Ferner kann es zweckmäßig sein, dass der Elektronenstrahl in einen Winkel in den Dampfraum eintritt, der bezüglich einer Rotorachse der Dampfturbine weniger als 90° beträgt. Auch auf diese Weise lässt sich der Eintritt von Dampf durch die Öffnung in die erste Kammer der Elektronenstrahlapparatur reduzieren. Diese Reduktion von Dampf in der ersten Kammer der Elektronenstrahlapparatur lässt sich zudem durch eine Umlenkung des Elektronenstrahls in der Elektronenstrahlapparatur erzielen.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere Merkmale werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Hierbei werden Merkmale mit derselben Bezeichnung, aber unterschiedlicher Ausgestaltungsform jeweils mit demselben Bezugszeichen versehen.
  • Dabei zeigen:
    • Figur 1
    einen Querschnitt durch eine Niederdruckdampfturbine mit einer Elektronenstrahlapparatur,
    Figur 2
    eine vergrößerte Darstellung der Elektronenstrahlapparatur mit einem Elektronenstrahl, der in den Dampfpfad der Dampfturbine eintritt,
    Figur 3
    eine weitere Ausgestaltungsform der Elektronenstrahlapparatur mit Eintritt des Elektronenstrahls in den Dampfpfad der Dampfturbine,
    Figur 4
    eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Kraftwerkes mit Hochdruckturbine und Niederdruckdampfturbine und die Nutzung der Dampferzeugung des Kraftwerkes zur Erzeugung eines Vakuums in der Elektronenstrahlapparatur,
    Figur 5
    einen Ausschnitt aus Figur 4 mit vergrößerter Darstellung der Elektronenstrahlapparatur und der Niederdruckdampfturbine und
    Figur 6
    eine schematische Darstellung einer Dampfstrahlvakuumpumpe, insbesondere eine Niederdruckdampfturbine.
  • In Figur 1 ist ein Querschnitt durch eine Dampfturbine 2 mit einem Rotor 3 dargestellt, wobei an dem Rotor 3 Turbinenschaufeln 9 angeordnet sind. Die Dampfturbine 2 weist einen Dampfraum 8 auf, der durch eine Turbinenwand 14 begrenzt wird. Durch den Dampfraum 8 strömt Dampf, was durch den Dampfpfad 28 veranschaulicht ist. An der Turbinenwand 14 ist eine Elektronenstrahlapparatur 4 angeordnet, wobei in einem Anbindungsbereich 10 der Elektronenstrahlapparatur 4 an die Dampfturbine 2 eine Öffnung 12 in der Turbinenwand 14 vorgesehen ist, durch die ein Elektronenstrahl 6 in den Dampfraum 8 eingeleitet wird.
  • Die Elektronenstrahlapparatur 4 ist an einer Stelle der Dampfturbine 2 angeordnet, an der im Dampfraum 8 ein Dampfdruck zwischen ca. 800 hPa und 1200 hPa vorliegt. Bei einem derartigen Dampfdruck ist es zweckmäßig, wie eingehend beschrieben, durch den Elektronenstrahl 6 die Dampfpartikel in der Art zu ionisieren, so dass eine Kondensation des Wasserdampfes an den ionisierten Partikeln stattfindet, wobei die Kondensation in Form von kleinen Tröpfchen auftritt. Ein Riesentropfenwachstum, wie es bei der Kondensation aus einem übersättigten Dampf geschieht, wird durch die Ionisation durch den Elektronenstrahl 6 vermieden. Durch die gezielte Kondensation des Wasserdampfes in feinste Tröpfchen wird der so genannte thermodynamische Relaxationsverlust minimiert. Ferner werden die bereits einleitend beschriebenen Bremsverluste der Turbinenschaufeln, die durch das Auftreffen von großen Tröpfchen aus ungünstiger Richtung verursacht werden, ebenfalls minimiert. Drittens kommt es zu geringeren Erosionsproblemen auf den Turbinenschaufeln, die durch den so genannten Tropfenschlag hervorgerufen werden.
  • Zur möglichst wartungsfreien Einleitung des Elektronenstrahls 6 in den Dampfraum 8 der Dampfturbine 2 ist eine Öffnung 12 in der Wand 14 der Dampfturbine 2 vorgesehen, die sich in dem Anbindungsbereich 10 der Elektronenstrahlapparatur 4 an die Dampfturbine 2 befindet (Figur 2). Diese Öffnung 12 ist in Form einer schlitzförmigen Blende (Breite der Öffnung bevorzugt zwischen 0,1 mm und 3 mm) ausgestaltet, wobei der Elektronenstrahl 6 durch eine Elektronenoptik bestehend aus elektromagnetischen Linsen 52 in einer Ebene längs des Schlitzes der Öffnung 12 aufgefächert wird. Durch die Auffächerung des Elektronenstrahls 6 wird die Ionisierung der Dampfpartikel in vorteilhafter Weise gefördert. Die Öffnung 12 zeichnet sich dadurch aus, dass sie, nicht wie im Stand der Technik vorgesehen, durch eine Schutzfolie oder ein anderes geschlossenes Fenster abgedeckt ist. Die Öffnung 12 ist derart ausgestaltet, dass Dampfpartikel aus dem Dampfraum 8 in eine erste Kammer 16 der Elektronenstrahlapparatur 4 gelangen können. Die Kammer 16 ist mit einer Verbindungsleitung 20 versehen, die von der Kammer 16 bis in einen Ausgangsbereich 22 (vgl. Fig. 1) der Dampfturbine 2 führt. Nach dem Prinzip einer Wasserstrahlpumpe wird durch den Unterdruck, der im Ausgangsbereich 22 der Dampfturbine 2 vorliegt und der in etwa zwischen 30 hPa und 50 hPa beträgt, ein Unterdruck in der Kammer 1 erzeugt. Der Druck in der Kammer 1 liegt somit auch bei etwa 30 hPa bis 50 hPa. Es liegt somit ein so genanntes Grobvakuum vor.
  • Im Aufbau der Elektronenstrahlapparatur 4 gemäß Fig. 2 folgt hinter der ersten Kammer 16 eine Blende 50, die zu einer zweiten Kammer 18 führt, in der ein Feinvakuum vorliegt, das bevorzugt weniger als 1 hPa Druck aufweist. Diese zweite Kammer 18 ist in einer bevorzugten Ausgestaltungsform an eine mehrstufige Dampfstrahlvakuumpumpe angeschlossen. Diese mehrstufige Dampfstrahlvakuumpumpe lässt sich in vorteilhafter Weise in den Kühlwasserkreislauf des Kondensators der Dampfturbine 2 integrieren. Diese Integration wird noch in Bezug auf die Beschreibung der Figur 4 näher erläutert.
  • In der Elektronenstrahlapparatur 4 nach Figur 2 wird nun noch eine weitere dritte Kammer 34 eingesetzt, die wiederum mit einer Hochvakuumpumpe 36 verbunden ist. Diese Hochvakuumpumpe kann entweder eine Drehschieberpumpe oder eine Turbomolekularpumpe sein. In diesem Bereich wird ein Hochvakuum (10-3 hPa bis 10-7 hPa) erzeugt. Die Kammer 34 ist wiederum mit einem Elektronenstrahlerzeuger 43 verbunden, in dem über eine Kathode 46 und über eine elektromagnetische Linse 52 zu einer Anode 48 hin der Elektronenstrahl 6 erzeugt wird. Der Elektronenstrahl 6 läuft weiter durch mehrere elektromagnetische Linsen 52 und Blenden 50 in den Dampfraum 8. Dabei ist nach der Ausgestaltung von Figur 2 an keiner der Blenden 50 ein geschlossenes Fenster vorgesehen, durch das der Elektronenstrahl verlaufen müsste. Es handelt sich somit um ein differentielles Pumpensystem, wobei von einer Vakuumkammer zur nächsten ein jeweils kleinerer Druck vorliegt. Bereits durch die Absaugung in der ersten Kammer 16 wird der Druck gegenüber dem Dampfraum, der dort zwischen 800 hPa und 1200 hPa beträgt, soweit vermindert (auf ca. 30 hPa bis 50 hPa), dass für die Pumpen, die an den weiteren folgenden Kammern 18 und 34 angeschlossen sind, keine besonderen Voraussetzungen mehr gestellt werden. Die mehrstufige Dampfstrahlvakuumpumpe 24 (Figur 4) arbeitet im Übrigen ebenfalls ohne bewegte Teile, so dass auch hier eine Verunreinigung des Pumpenöles durch Wassertropfen nicht zu befürchten ist.
  • In einer anderen Ausgestaltungsform der Erfindung gemäß Figur 3 wird auf die zweite Kammer 18 verzichtet, da in der ersten Kammer 16 bereits ein derart geringer Druck vorherrscht, dass an einer Blende 50 zwischen der ersten Kammer zu einem direkt an der ersten Kammer anliegenden Elektronenstrahlerzeuger 43 ein Fenster 49 angebracht werden kann. Der Elektronenstrahlerzeuger 43 entspricht in diesem Ausführungsbeispiel einer zweiten Kammer mit unterschiedlichem Druckniveau bezüglich der ersten Kammer 16. Bei dem in diesem Ausführungsbeispiel in der Kammer 16 vorliegenden Druck von etwa 30 hPa ist die Wahrscheinlichkeit, dass das Fenster 49, das insbesondere in Form einer dünnen Titanfolie ausgestaltet ist, zerstört wird, sehr gering. Der Bereich des Elektronenstrahlerzeugers 43 würde dann direkt an eine Hochvakuumpumpe, die in Figur 3 nicht näher dargestellt ist, angeschlossen werden. Der Raum der Elektronenstrahlerzeugung im Elektronenstrahlerzeuger 43 wäre somit vollkommen vom Dampfraum 8 der Dampfturbine 2 abgeschlossen.
  • Im Weiteren soll noch auf die Integration der Vakuumvorrichtungen der ersten Kammer 16 und der zweiten Kammer 18 in den Kühlwasserkreislauf eines Kondensators 57 der Dampfturbine 2 eingegangen werden (Figur 4 und Figur 5). In Figur 4 ist schematisch ein Kraftwerk 53 abgebildet, das insbesondere eine Hochdruckturbine 54 und eine Niederdruckdampfturbine 2 aufweist. Beide Turbinen 54 und 2 zusammen treiben einen Generator 59 an. Das Kraftwerk 53 umfasst gemäß Figur 4 weiterhin einen Speisewasserbehälter 55, einen Niederdruckwasservorwärmer 56, den Kondensator 57, eine Kondensatorpumpe 58 und den bereits erwähnten Generator 59. Ferner ist eine Kühlwasserzuleitung 60 vom Kondensator 57 zur mehrstufigen Dampfstrahlvakuumpumpe 24 vorgesehen. Ferner ist eine Kondensatorableitung 62 von der Dampfstrahlvakuumpumpe 24 zum Kondensator 57 vorgesehen. Die Dampfstrahlvakuumpumpe 24 wird durch eine Dampfzuleitung 61 mit Dampf versorgt.
  • Die Dampfstrahlvakuumpumpe 24, die im Beispiel nach Figur 4 und in der vergrößerten Darstellung nach Figur 5 nur schematisch dargestellt ist und in Fig. 6 detaillierter gezeigt ist, weist in mehreren Stufen mehrere Behälter (Kondensatoren 63) auf, in denen eine Kondensation stattfindet. Sie weist einen Sauganschluss 64 auf, der die Moleküle aus der abzusaugenden Kammer 18 ansaugt, dieser Sauganschluss 64 ist mit der Dampfzuleitung 61 gekoppelt. In mehreren Stufen wird der Dampf aus der Kammer 18 in den Kondensatoren 63 kondensiert und das Kondensat über die Kondensatableitung 62 in den Kondensator 57 des Kraftwerkes abgeführt. Zur Realisierung der Kondensation in der Dampfstrahlvakuumpumpe 24 wird ferner über eine Kühlwasserzuleitung 60 die Kühlung der einzelnen Kondensatoren 63 in der Pumpe 24 vorgenommen.
  • Sowohl die Evakuierungsvorrichtung der ersten Kammer 16, die über eine Unterdruckleitung (Verbindungsleitung 20) die unterschiedlichen Druckverhältnisse in der Dampfturbine 2 ausnutzt, als auch die Dampfstrahlvakuumpumpe 24, die in den Kühlwasserkreislauf der Dampfturbine 2 integriert ist, nutzen die vorliegende Druck- und Kühlwasserinfrastruktur der Dampfturbine 2 aus. Es müssen demnach für diese Infrastruktur zur Evakuierung der ersten Kammer 16 und der zweiten Kammer 18 keine weiteren Anlagen vorgesehen werden. Das mehrstufige, differentielle Vakuumsystem der Elektronenstrahlapparatur 4 greift somit auf eine bereits vorliegende Infrastruktur im Bereich des Kraftwerkes zurück und ist somit in dieses vollständig integriert. Der Energieaufwand und der Wartungsaufwand für das Pümpsystem der Elektronenstrahlapparatur 4 werden somit minimiert. Es wird daher zumindest bis zum Bereich der zweiten Kammer 18 auf Pumpen zurückgegriffen, die keine beweglichen Teile aufweisen und somit wartungstechnisch leichter zu handhaben sind.
  • Ferner kann es auch zweckmäßig sein, die Elektronenstrahlapparatur 4 so anzubringen, dass der eintretende Elektronenstrahl 6 zu einer Rotorachse des Rotors 3 nicht senkrecht steht, also dass der Winkel zwischen Rotorachse und Elektronenstrahl kleiner als 90° ist. Durch diese Maßnahme wird der Eintritt von Dampfmolekülen durch die Öffnung 12 in die erste Kammer 16 erschwert, was die Erzeugung eines Unterdrucks bzw. Vakuums in der Kammer 16 erleichtert. Eine weitere Maßnahme, die zu demselben Effekt führt, besteht darin, den Elektronenstrahl und seinen Strahlengang ein oder mehrmals umzulenken. Dafür können verschiedene metallische Platten, die in geeignetem Winkel angeordnet sind, verwendet werden. Geeignete Metalle wie Gold, Silber, Kupfer oder Aluminium weisen für bestimmte Winkel eine entsprechende Reflexion des Elektronenstrahls auf, so dass sie als Spiegel und Umlenkelemente des Elektronenstrahls dienen können.

Claims (10)

  1. Dampfturbine (2) mit einer Elektronenstrahlapparatur (4), die zur Einbringung eines Elektronenstrahls (6) in einen Dampfraum (8) der Dampfturbine (2) dient, dadurch gekennzeichnet, dass
    in einem Anbindungsbereich (10) der Elektronenstrahlapparatur (4) an die Dampfturbine (2) eine Öffnung (12) in einer Turbinenwand (14) vorgesehen ist, durch die der Elektronenstrahl (6) in den Dampfraum (8) einbringbar ist, wobei die Elektronenstrahlapparatur (4) mindestens zwei Kammern aufweist, durch die der Elektronenstrahl (6) verläuft und dass die zwei Kammern (16, 18) ein unterschiedliches Druckniveau aufweisen.
  2. Dampfturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Kammer (16) der Elektronenstrahlapparatur (4) eine Verbindungsleitung (20) zu einem Ausgangsbereich (22) der Dampfturbine (2) aufweist.
  3. Dampfturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an eine zweite Kammer (1) der Elektronenstrahlapparatur (4) eine Dampfstrahl-Vakuumpumpe (24) angelegt ist.
  4. Dampfturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfstrahl-Vakuumpumpe (24) eine Dampfzuleitung (61) aus einem Dampfpfad (28) der Dampfturbine (2) erhält.
  5. Dampfturbine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrstufige Dampfstrahl-Vakuumpumpe (24) eine Kühlwasserzuleitung (30) aus einem Kühlwasserkreislauf (32) der Dampfturbine (2) erhält.
  6. Dampfturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an eine dritte Kammer (34) der Elektronenstrahlapparatur (4) eine Feinvakuumpumpe (36) angelegt ist.
  7. Dampfturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Kammer (16) und der zweiten Kammer (18) oder zwischen der zweiten Kammer (18) und der dritten Kammer (34) ein geschlossenes Elektronenaustrittsfenster (38) vorgesehen ist.
  8. Dampfturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Winkel (40) zwischen den in den Dampfraum (8) eintreffenden Elektronenstrahl (6) und einer Rotorachse (42) der Dampfturbine (2) weniger als 90° beträgt.
  9. Dampfturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenstrahl (6) in der Elektronenstrahlapparatur (4) durch Umlenkvorrichtungen (44) ein oder mehrfach umgeleitet wird.
  10. Dampfturbine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkvorrichtungen (44) in Form von Metallspiegeln (45), insbesondere auf der Basis von Gold, Silber, Kupfer oder Aluminium ausgebildet sind.
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