EP2511485A1 - Strömungsmaschine, Dampfturbinenanlage und Verfahren zum Wärmen einer Dampfturbinenwelle - Google Patents

Strömungsmaschine, Dampfturbinenanlage und Verfahren zum Wärmen einer Dampfturbinenwelle Download PDF

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EP2511485A1
EP2511485A1 EP11162639A EP11162639A EP2511485A1 EP 2511485 A1 EP2511485 A1 EP 2511485A1 EP 11162639 A EP11162639 A EP 11162639A EP 11162639 A EP11162639 A EP 11162639A EP 2511485 A1 EP2511485 A1 EP 2511485A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
steam
shaft
steam turbine
relief groove
turbomachine
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11162639A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rainer Dr. Quinkertz
Edwin Gobrecht
Michael Wechsung
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP11162639A priority Critical patent/EP2511485A1/de
Publication of EP2511485A1 publication Critical patent/EP2511485A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K13/00—General layout or general methods of operation of complete plants
    • F01K13/006—Auxiliaries or details not otherwise provided for
    • 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
    • F01D25/10—Heating, e.g. warming-up before starting
    • 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
    • F05D2260/85—Starting

Definitions

  • the invention relates to a turbomachine comprising a housing and a rotatably mounted within the housing shaft, wherein the shaft has a region which is thermally stressed. Furthermore, the invention relates to a steam turbine plant and a method for heating a steam turbine shaft.
  • a steam turbine Under a turbomachine, for example, a steam turbine is understood.
  • a live steam with comparatively high steam parameters such as pressure and temperature, flows into an inflow region of the steam turbine.
  • a steam turbine is subdivided into a high-pressure turbine part, medium-pressure turbine part and low-pressure part turbine.
  • the high-pressure turbine section experiences a live steam with the highest steam parameters.
  • Steam turbines are used inter alia for municipal power generation, to the steam turbine, an electric generator is connected, which is connected to an electrical consumer network.
  • Steam turbine plants are characterized by high availability, which means that a steam turbine plant is in a state of continuous operation.
  • the number of load changes is an important output for the design of the steam turbine. Depending on material characteristics, the permissible limits for component temperature differences are taken into account. High load cycles lead to small permissible temperature differences and thus ultimately to low load change speeds and start times. It may be that a steam turbine shaft must be replaced prematurely, if higher load change speeds are desired with the same number of load changes.
  • the invention begins, whose task is to specify a steam turbine, which has lower temperature differences at a load change.
  • a turbomachine comprising a housing and a rotatably mounted within the housing shaft, wherein the shaft has a region which is thermally stressed, wherein means are provided for supplying hot steam to the thermally highly stressed area.
  • the object is further achieved by a steam turbine plant with a steam turbine, a steam generator, a live steam control valve, a live steam quick-closing valve, wherein a steam generated in the steam generator live steam through the live steam control valve and the live steam quick-closing valve is flown into the steam turbine, wherein a Branch, which is fluidically connected to the means for supplying hot steam, wherein the branch is fluidly connected to the steam generator.
  • the object is achieved by a method for heating a steam turbine shaft, wherein the steam turbine shaft has a thermally loaded area and this area is traversed by an unthrottled steam from a live steam line.
  • the invention is based on the idea that a temperature difference in a thick-walled component of a steam turbine can be limited by the fact that this thermally highly loaded area is flown with hot steam.
  • This thermally highly stressed area is thermally stressed during a continuous operation by the flow of live steam.
  • a cooling of the thick-walled component would be the result, with too rapid cooling leads to temperature differences that are undesirable.
  • an essential idea of the invention is that after a load drop, a thermally loaded component of the steam turbine is flowed through with a hot steam, thereby avoiding a temperature difference.
  • a load dump or load drop is a special form of load reduction.
  • turbomachine is further developed in an advantageous development such that the turbomachine is designed as a steam turbine and the housing has an inner housing and an outer housing arranged around the inner housing.
  • the invention is oriented to use in a high-pressure turbine section or medium-pressure turbine section. Nevertheless, an application of the invention is also possible in a low-pressure turbine part.
  • the shaft has a relief groove with a smaller diameter, wherein the means is designed such that the hot steam is guided to the relief groove.
  • a relief groove in a shaft is an area that is characterized by a smaller diameter than the rest of the shaft.
  • the shaft usually includes a flow channel-like region, are provided in the grooves for turbine blades. This area is subject to different thermal loads.
  • the shaft is subjected to a higher thermal load than the rear outflow area of the flow channel.
  • the shaft is particularly heavily loaded. Therefore, a relief groove is arranged in the shaft in the front region.
  • the highest loaded area is the first blade groove.
  • the shaft is designed to be double-flowed and the relief groove is arranged in an inflow region, the inflow region being designed to supply live steam.
  • the invention is also possible in a steam turbine with a twin-flow design.
  • the variable use of the invention is significantly increased.
  • an inflow ring is arranged above the relief groove, which is formed such that the live steam is not guided to the relief groove.
  • An inflow ring is characterized in that it is arranged around the shaft, in particular around the relief groove, and keeps the live steam from flowing directly to the shaft, in particular to the relief groove. This means that the live steam is directed almost directly to the first turbine blades in the flow channel.
  • the means for supplying hot steam is designed such that the hot steam flows between the inflow ring and the relief groove.
  • the invention proposes to remove unthrottled live steam after the steam generator in a steam turbine plant and to flow into the area between the relief groove and the inflow.
  • a seal between the inflow ring and the shaft is arranged.
  • This seal can be realized according to the invention by a labyrinth or brush seal.
  • the advantage here is that the hot steam that flows in between the relief groove and the inflow ring can flow out of this area more poorly and thus ensures an additional temperature increase and thus better heating of the shaft via the supplied friction power.
  • the goal would be to avoid premixing with live steam, thereby allowing a targeted heating of the compensation groove.
  • the means for supplying hot steam is conducted in a vapor-tight manner through the outer housing and the inner housing. This ensures that no hot steam is lost on the way to the area between the relief groove and the inlet ring.
  • the invention can thus be referred to as an active heater, which is used in the thermally highly stressed area.
  • the supply of hot steam in this area between inflow and relief groove is variably controllable via a valve.
  • the steam turbine plant is characterized essentially by the fact that after the live steam generator, a live steam control valve and a live steam quick-acting valve is arranged in the live steam line, wherein the live steam leads via the live steam line into the turbomachine into an inflow region.
  • a heating line is branched off from this steam line, the steam-tight by the outside and Inner housing is guided and opens into a region between the relief groove and inflow.
  • the diversion between the live steam quick-closing valve and the live steam control valve is arranged.
  • means such as a valve for regulating the flow rate, with which the flow rate of the hot steam can be regulated, are arranged in the branch.
  • the inventive method for heating a steam turbine shaft is characterized in particular by the fact that the thermally loaded area of the steam turbine shaft is flowed through with an unthrottled steam from a live steam line during a load drop.
  • the inventive idea is pursued here, to compensate for the elimination of the thermal stress as a result of a load change by deliberately supplying hot steam from the main steam line.
  • FIG. 1 shows a schematic overview of a steam turbine plant 1, which is through a steam generator 2, arranged from the steam generator 2 main steam line 3, arranged in the main steam line 3 quick-closing valve 4, a fluidically with the main steam line 3 connected control valve 5 and a steam turbine 6 characterized.
  • the main steam line 3 opens into an inflow region 7 of the steam turbine 6.
  • the in the FIG. 1 illustrated steam turbine 6 comprises substantially an outer housing 8 and an inner housing 9 and a rotatably mounted within the outer 8 and inner housing 9 shaft 10.
  • the shaft 10 includes turbine blades disposed substantially on the shaft surface.
  • turbine blades are also arranged as turbine vanes, with the turbine blades and vanes, a flow channel 11 is formed.
  • the in the FIG. 1 selected steam turbine 6 comprises two flow channels 11, since it is a double-flow embodiment of a steam turbine 6. This means that after the inflow region 7, the incoming fresh steam divides into a left-hand flood 12 and a right-hand flood 13.
  • the live steam here cools off in the left-hand flow 12 and in the right-hand flow 13, so that, in particular in the inflow region 7, the shaft 10 is subjected to particularly high thermal stress.
  • the steam turbine 6 therefore has an inlet ring 14 arranged around the shaft 10.
  • the shaft 10 further has a relief groove 15, which has a smaller diameter than the shaft 10 in the flow channel 11. During operation, therefore, the live steam first flows onto the inflow ring 14 and not onto the shaft surface in the relief groove 15. Nevertheless, the area around the relief groove 15 heats up during operation to a comparatively high operating temperature. If a load drop occurs, the thermal load is reduced in the inflow region 7, which causes the temperature in the relief groove 15 is automatically reduced.
  • a branch 16 is additionally introduced, which leads to an additional heating line 17.
  • the heating line 17 is fluidically connected on the one hand with the steam generator 2 and with the relief groove 15. The means that located in the heating line 17 live steam flows as hot steam into the relief groove 15 and there prevents a cooling due to the load drop cooling and thus ultimately prevents a temperature difference.
  • a valve 18 is arranged, which is simply opened in the event of a load drop.
  • unthrottled live steam is flowed through in the region between the inflow ring 14 and the relief groove 15.
  • This type of heating can be switched off at low Einströmtext if the pressure difference across the inflow ring 14 exceeds a limit to be set without changing the stress on the original driving style.
  • the turbomachine 6 designed as a steam turbine 6 accordingly comprises a housing 8, 9 and a shaft 10 rotatably mounted inside the housing 8, 9, the shaft 10 having a region 19 which is thermally stressed, means 20 for supplying hot steam to the thermal highly loaded area 19 are formed.
  • FIG. 2 shows a part of a cross-sectional view of a turbomachine. To see is a part of the outer housing 8, the inner housing 9 and the shaft 10. Furthermore, the Inflow ring 14 and the means 20 for supplying hot steam.
  • FIG. 3 shows a cross-sectional view of a part of the steam turbine 1.
  • the inflow ring 14 and the relief groove 15 are formed such that a portion 21 is formed therebetween.
  • In this area 21 flows hot steam, which leads to the heating of the shaft 10 at a load reduction.

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  • Combustion & Propulsion (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wärmen einer Dampfturbinenwelle (10), wobei die Welle (10) im Falle eines Lastabwurfs mit einem heißen Dampf, der aus der Frischdampfleitung (3) abgezweigt wird, erwärmt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine umfassend ein Gehäuse und eine innerhalb des Gehäuses drehbar gelagerten Welle, wobei die Welle einen Bereich aufweist, der thermisch belastet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Dampfturbinenanlage sowie ein Verfahren zum Wärmen einer Dampfturbinenwelle.
  • Unter einer Strömungsmaschine wird beispielsweise eine Dampfturbine verstanden. Im Betrieb einer Dampfturbine strömt ein Frischdampf mit vergleichsweise hohen Dampfparametern, wie Druck und Temperatur, in einen Einströmbereich der Dampfturbine hinein. Üblicherweise wird eine Dampfturbine in eine Hochdruck-Teilturbine, Mitteldruck-Teilturbine und Niederdruck-Teilturbine unterteilt. Die Hochdruck-Teilturbine erfährt einen Frischdampf mit den höchsten Dampfparametern. Dampfturbinen werden unter anderem für die kommunale Energieerzeugung eingesetzt, wobei an die Dampfturbine ein elektrischer Generator angeschlossen ist, der mit einem elektrischen Verbrauchernetz verbunden ist. Dampfturbinenanlagen zeichnen sich durch eine hohe Verfügbarkeit aus, was dazu führt, dass eine Dampfturbinenanlage im dauerbetriebsbereiten Zustand ist. Das liegt unter anderem daran, dass die Erwärmung einer Dampfturbine vergleichsweise lange dauert, da eine Dampfturbine aus dickwandigen Materialien hergestellt ist. Somit entstehen während einer Aufwärmungsphase Temperaturgradienten innerhalb der dickwandigen Bauteile. In einem Dauerbetrieb sind die Temperaturen nahezu konstant. Das bedeutet, dass die Lebensdauer der Bauteile verlängerbar ist, wenn die Temperaturänderungen im instationären Betrieb auf ein Minimum beschränkt werden. Sofern die Last bei einer Dampfturbinenanlage geändert wird, führt dieser Lastwechsel im Falle der Androsselung der Turbineneinlassventile zu einer Temperaturänderung. Dies ist insbesondere bei Dampfturbinen der Fall, die im Festdruck betrieben werden, die insbesondere in Kernkraftwerken eingesetzt werden. Die Temperaturänderung führt dazu, dass in den dickwandigen Bauteilen in Folge des Temperaturtransienten eine Temperaturdifferenz erfolgt. Solche Temperaturdifferenzen führen zu Dehnungswechselermüdungen und begrenzen dadurch die Lebensdauer der Dampfturbine insgesamt. Durch die zunehmenden Anteile an regenerativer Energien und dadurch verursachter zeitlicher Schwankungen der Stromerzeugung und des Strombedarfes steigen die Anforderungen an die Laständerung der Kernkraftwerke. Diese Laständerungen stellen Herausforderungen an die Höhe der Laständerung insgesamt als auch an die Geschwindigkeit der Laständerung.
  • Die Anzahl an Lastwechseln ist eine wichtige Ausgangsgröße für die Auslegung der Dampfturbine. In Abhängigkeit von Werkstoffkennwerten werden die zulässigen Grenzen für Bauteiltemperaturdifferenzen berücksichtigt. Hohe Lastwechselzahlen führen zu kleinen zulässigen Temperaturdifferenzen und damit letztendlich zu geringen Laständerungsgeschwindigkeiten und Startzeiten. Es kann sein, dass eine Dampfturbinenwelle vorzeitig ausgetauscht werden muss, wenn höhere Laständerungsgeschwindigkeiten bei gleicher Anzahl von Lastwechseln gewünscht sind.
  • Wünschenswert wäre es eine Dampfturbine derart weiter zu bilden, dass die Temperaturdifferenzen bei Laständerungen verringert werden.
  • An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, eine Dampfturbine anzugeben, die bei einer Laständerung geringere Temperaturdifferenzen aufweist.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Strömungsmaschine umfassend ein Gehäuse und eine innerhalb des Gehäuses drehbar gelagerten Welle, wobei die Welle einen Bereich aufweist, der thermisch belastet ist, wobei Mittel zum Zuführen von heißem Dampf zum thermisch hochbelasteten Bereich vorgesehen sind. Die Aufgabe wird des Weiteren gelöst durch eine Dampfturbinenanlage mit einer Dampfturbine, einem Dampferzeuger, einem Frischdampf-Stellventil, einem Frischdampf-Schnellschlussventil, wobei ein im Dampferzeuger erzeugter Frischdampf durch das Frischdampf-Stellventil und das Frischdampf-Schnellschlussventil in die Dampfturbine strömbar ist, wobei eine Abzweigung, die strömungstechnisch mit dem Mittel zum Zuführen von heißem Dampf verbunden ist, wobei die Abzweigung strömungstechnisch mit dem Dampferzeuger verbunden ist.
  • Des Weiteren wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Wärmen einer Dampfturbinenwelle, wobei die Dampfturbinenwelle einen thermisch belasteten Bereich aufweist und dieser Bereich mit einem ungedrosselten Dampf aus einer Frischdampfleitung durchströmt wird.
  • Im herkömmlichen Betrieb treten bei Laständerungen Temperaturveränderungen durch Drosselung des Dampfes auf. Bei Lastabfall fällt die Temperatur und bei Laststeigerung steigt die Temperatur wieder auf den Ausgangswert. Mit der Erfindung wird die Temperatur konstant gehalten, indem die Drosselung für den hochbelasteten Bereich quasi umgangen wird. Der Vorteil ist, dass ein kompletter Temperaturzyklus aus Abfall und Wiederanstieg verhindert wird. Somit ist nicht nur der Lastabfall, sondern auch die gesamte Laständerung betroffen.
  • Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, dass eine Temperaturdifferenz in einem dickwandigen Bauteil einer Dampfturbine dadurch begrenzt werden kann, wenn dieser thermisch hochbelastete Bereich mit heißen Dampf beströmt wird. Dieser thermisch hochbelastete Bereich ist während eines Dauerbetriebs durch das Beströmen von Frischdampf thermisch belastet. Bei einem Lastabfall entfällt ein Teil der thermischen Belastung durch den Frischdampf. Eine Abkühlung des dickwandigen Bauteils wäre die Folge, wobei eine zu schnelle Abkühlung zu Temperaturdifferenzen führt, die unerwünscht sind. Durch das Beströmen mit einem heißen Dampf kurz nach dem Lastabfall, wird eine Änderung der Temperatur und somit einer Temperaturdifferenz vermieden, was dazu führt, dass insgesamt die Lebensdauer des dickwandigen Bauteils verlängert wird. Somit ist ein wesentlicher Gedanke der Erfindung, dass nach einem Lastabfall ein thermisch belastetes Bauteil der Dampfturbine mit einem heißen Dampf durchströmt wird, um dadurch eine Temperaturdifferenz zu vermeiden.
  • Unter einem Lastabwurf oder Lastabfall ist eine besondere Form der Lastabsenkung zu verstehen.
  • In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen angegeben.
  • So wird die Strömungsmaschine in einer vorteilhaften Weiterbildung derart weitergebildet, dass die Strömungsmaschine als Dampfturbine ausgebildet ist und das Gehäuse ein Innengehäuse und ein um das Innengehäuse angeordnetes Außengehäuse aufweist. Somit ist die Erfindung auf den Einsatz in einer Hochdruck-Teilturbine oder Mitteldruck-Teilturbine orientiert. Dennoch ist ein Einsatz der Erfindung auch in einer Niederdruck-Teilturbine möglich.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die Welle eine Entlastungsnut mit einem geringeren Durchmesser auf, wobei das Mittel derart ausgebildet ist, dass der heiße Dampf zur Entlastungsnut geführt wird. Eine Entlastungsnut in einer Welle ist ein Bereich, der sich durch einen geringeren Durchmesser kennzeichnet als der restliche Bereich der Welle. Die Welle umfasst in der Regel einen strömungskanalartigen Bereich, bei dem Nuten für Turbinenschaufeln vorgesehen sind. Dieser Bereich ist unterschiedlich thermisch belastet. So wird im Eingangsbereich dieses Strömungskanals die Welle thermisch höher belastet als der hintere Ausströmbereich des Strömungskanals. Besonders im vorderen Einströmbereich wird die Welle besonders stark belastet. Daher wird im vorderen Bereich eine Entlastungsnut in der Welle angeordnet.
  • Des Weiteren ist zu beachten, dass der höchstbelastete Bereich die erste Schaufelnut ist.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Welle zweiflutig ausgebildet und die Entlastungsnut in einem Einströmbereich angeordnet, wobei der Einströmbereich zum Zuführen von Frischdampf ausgebildet ist. Neben einer Anwendung im einflutigen Bereich, ist die Erfindung auch in einer Dampfturbine mit einer zweiflutigen Ausgestaltung möglich. Somit ist der variable Einsatz der Erfindung deutlich erhöht.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist über der Entlastungsnut ein Einströmring angeordnet, der derart ausgebildet ist, dass der Frischdampf nicht zur Entlastungsnut geführt wird. Ein Einströmring ist dadurch charakterisiert, dass dieser um die Welle angeordnet ist, insbesondere um die Entlastungsnut, und den Frischdampf davon abhält, direkt auf die Welle, insbesondere auf die Entlastungsnut zu strömen. Das bedeutet, dass der Frischdampf nahezu direkt zu den ersten Turbinenschaufeln im Strömungskanal geleitet wird.
  • In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung ist das Mittel zum Zuführen von heißem Dampf derart ausgebildet, dass der heiße Dampf zwischen dem Einströmring und der Entlastungsnut strömt.
  • Bei einem Lastwechsel entfällt sozusagen die thermische Belastung aus den Temperaturveränderungen bedingt durch Drosselung des Frischdampfes auf den Einströmbereich. Eine geringere thermische Belastung des Einströmbereichs der Welle ist demnach die Folge. Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, dass zwischen dem Einströmring und der Entlastungsnut ein heißer Dampf mit entsprechenden Dampfparametern eingeströmt wird, der keine Temperaturveränderung bedingt durch Drosselung erfährt. Der heiße Dampf muss daher Dampfparameter aufweisen, die dazu führen, dass eine thermodynamische Situation auftaucht, die vergleichbar der Situation ist, wenn Frischdampf in die Strömungsmaschine strömt.
  • Dazu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, ungedrosselten Frischdampf nach dem Dampferzeuger in einer Dampfturbinenanlage zu entnehmen und in den Bereich zwischen der Entlastungsnut und dem Einströmring einzuströmen.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung ist eine Dichtung zwischen dem Einströmring und der Welle angeordnet. Diese Dichtung kann erfindungsgemäß durch eine Labyrinth- oder Bürstendichtung realisiert werden. Der Vorteil ist hierbei, dass der heiße Dampf, der zwischen die Entlastungsnut und dem Einströmring eingeströmt wird, schlechter aus diesem Bereich ausströmen kann und somit über die zugeführte Reibleistung eine zusätzliche Temperaturerhöhung und damit ein besseres Heizen der Welle sicherstellt. Das Ziel wäre die Vermeidung einer Vormischung mit Frischdampf, um dadurch eine gezielte Heizung der Ausgleichsnut zu ermöglichen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird das Mittel zum Zuführen von heißem Dampf dampfdicht durch das Außengehäuse und das Innengehäuse geführt. Dadurch wird sichergestellt, dass kein heißer Dampf verloren geht auf dem Weg in den Bereich zwischen der Entlastungsnut und dem Einströmring. Die Erfindung kann somit als eine aktive Heizung bezeichnet werden, die im thermisch hochbelasteten Bereich eingesetzt wird. Die Zuführung des heißen Dampfes in diesen Bereich zwischen Einströmring und Entlastungsnut ist hierbei variabel über ein Ventil steuerbar.
  • Die Dampfturbinenanlage zeichnet sich im Wesentlichen dadurch aus, dass nach dem Frischdampferzeuger ein Frischdampfstellventil und ein Frischdampf-Schnellschlussventil in der Frischdampfleitung angeordnet ist, wobei der Frischdampf über die Frischdampfleitung in die Strömungsmaschine in einen Einströmbereich führt.
  • Erfindungsgemäß wird aus dieser Frischdampfleitung eine Heizleitung abgezweigt, die dampfdicht durch das Außen- und Innengehäuse geführt wird und in einen Bereich zwischen Entlastungsnut und Einströmring mündet.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Abzweigung zwischen dem Frischdampfschnellschlussventil und dem Frischdampfstellventil angeordnet.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist in der Abzweigung Mittel, wie zum Beispiel ein Ventil zum Regeln der Durchflussmenge angeordnet, mit dem die Durchflussmenge des heißen Dampfes geregelt werden kann.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Wärmen einer Dampfturbinenwelle zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der thermisch belastete Bereich der Dampfturbinenwelle mit einem ungedrosselten Dampf aus einer Frischdampfleitung während eines Lastabfalls durchströmt wird.
  • Somit wird auch hier der erfinderische Gedanke verfolgt, den Wegfall der thermischen Belastung in Folge einer Laständerung durch ein bewusstes Zuführen von heißem Dampf aus der Frischdampfleitung zu kompensieren.
  • Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1
    eine schematische Übersicht einer Dampfkraftanlage,
    Figur 2
    eine schematische Übersicht eines Querschnitts einer Dampfturbine,
    Figur 3
    eine Schnittansicht eines Teils einer Dampfturbine.
  • Die Figur 1 zeigt eine schematische Übersicht einer Dampfturbinenanlage 1, die sich durch einen Dampferzeuger 2, einer aus dem Dampferzeuger 2 angeordneten Frischdampfleitung 3, einem in der Frischdampfleitung 3 angeordneten Schnellschlussventil 4, einem strömungstechnisch mit der Frischdampfleitung 3 verbundenen Stellschlussventil 5 und einer Dampfturbine 6 auszeichnet. Die Frischdampfleitung 3 mündet in einen Einströmbereich 7 der Dampfturbine 6.
  • Die in der Figur 1 dargestellte Dampfturbine 6 umfasst im Wesentlichen ein Außengehäuse 8 und ein Innengehäuse 9 sowie eine innerhalb des Außen- 8 und Innengehäuses 9 drehbar gelagerten Welle 10 auf. Die Welle 10 umfasst im Wesentlichen auf der Wellenoberfläche angeordnete Turbinenlaufschaufeln. Im Innengehäuse 9 sind ebenfalls Turbinenschaufeln als Turbinenleitschaufeln angeordnet, mit den Turbinenlauf- und Leitschaufeln wird ein Strömungskanal 11 ausgebildet. Die in der Figur 1 ausgewählte Dampfturbine 6 umfasst zwei Strömungskanäle 11, da es sich um eine zweiflutige Ausführungsform einer Dampfturbine 6 handelt. Das bedeutet, dass nach dem Einströmbereich 7 der einströmende Frischdampf sich in eine linke Flut 12 und eine rechte Flut 13 aufteilt. Der Frischdampf kühlt sich hierbei in der linken Flut 12 und in der rechten Flut 13 ab, so dass insbesondere im Einströmbereich 7 die Welle 10 thermische besonders stark belastet ist. Die Dampfturbine 6 weist daher einen um die Welle 10 angeordneten Einströmring 14 auf. Die Welle 10 weist des Weiteren eine Entlastungsnut 15 auf, die einen geringeren Durchmesser als die Welle 10 im Strömungskanal 11 aufweist. Im Betrieb strömt daher der Frischdampf zunächst auf den Einströmring 14 und nicht auf die Wellenoberfläche in der Entlastungsnut 15. Dennoch erwärmt sich der Bereich um die Entlastungsnut 15 während des Betriebs auf eine vergleichsweise hohe Betriebstemperatur. Sofern ein Lastabfall auftritt wird die thermische Belastung im Einströmbereich 7 verringert, was dazu führt, dass die Temperatur in der Entlastungsnut 15 sich automatisch reduziert.
  • Dies würde aber zu Temperaturdifferenzen führen, die unerwünscht sind. Daher wird eine Abzweigung 16 zusätzlich eingeführt, die zu einer zusätzlichen Heizleitung 17 führt. Die Heizleitung 17 ist strömungstechnisch zum einen mit dem Dampferzeuger 2 und mit der Entlastungsnut 15 verbunden. Das bedeutet, dass ein in der Heizleitung 17 befindlicher Frischdampf als heißer Dampf in die Entlastungsnut 15 strömt und dort eine in Folge des Lastabfalls erfolgte Abkühlung verhindert und somit eine Temperaturdifferenz letztendlich verhindert.
  • In der Heizleitung 17 wird ein Ventil 18 angeordnet, das im Falle eines Lastabfalls einfach geöffnet wird. Somit wird ungedrosselter Frischdampf im Bereich zwischen den Einströmring 14 und der Entlastungsnut 15 durchströmt. Diese Art der Heizung kann bei kleinen Einströmdrücken abgeschaltet werden, falls die Druckdifferenz über dem Einströmring 14 einen festzulegenden Grenzwert überschreitet ohne die Beanspruchung gegenüber der ursprünglichen Fahrweise zu verändern.
  • Dadurch wird die vorübergehende Temperaturabsenkung bei Lastwechseln in Folge Lastabfall durch aktive Beheizung vermieden. Durch die resultierende Reduzierung von Temperaturdifferenzen kann die zulässige Zahl als auch die zulässige Amplitude von Lastwechseln erheblich gesteigert werden, ohne die Welle vor dem Ablauf der spezifizierten Lebensdauer austauschen zu müssen. Dadurch wird die Betriebsflexibilität insgesamt verbessert. Ein weiterer Vorteil ist, dass aufgrund der reduzierten Dehnungswechselbelastung der Entlastungsnut 15 diese tiefer eingeschnitten werden kann und somit die Kerbwirkung der ersten Schaufelnut verringert wird.
  • Die als Dampfturbine 6 ausgebildete Strömungsmaschine umfasst demnach ein Gehäuse 8, 9 und eine innerhalb des Gehäuses 8, 9 drehbar gelagerte Welle 10, wobei die Welle 10 einen Bereich 19 aufweist, der thermisch belastet ist, wobei Mittel 20 zum Zuführen von heißem Dampf zum thermisch hochbelasteten Bereich 19 ausgebildet sind.
  • Die Figur 2 zeigt einen Teil einer Querschnittsansicht einer Strömungsmaschine. Zu sehen ist ein Teil des Außengehäuses 8, des Innengehäuses 9 sowie der Welle 10. Des Weiteren ist der Einströmring 14 dargestellt und das Mittel 20 zum Zuführen von heißem Dampf.
  • Die Figur 3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils der Dampfturbine 1. Der Einströmring 14 und die Entlastungsnut 15 sind derart ausgebildet, dass ein Bereich 21 dazwischen ausgebildet ist. In diesem Bereich 21 strömt heißer Dampf, der zum Wärmen der Welle 10 bei einer Lastabsenkung führt.

Claims (17)

  1. Strömungsmaschine umfassend ein Gehäuse (8, 9) und eine innerhalb des Gehäuses (8, 9) drehbar gelagerte Welle (10), wobei die Welle (10) einen Bereich aufweist, der thermisch belastet ist,
    gekennzeichnet durch
    Mittel (20) zum Zuführen von heißem Dampf zum thermisch hochbelasteten Bereich.
  2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1,
    wobei die Strömungsmaschine als Dampfturbine ausgebildet ist.
  3. Strömungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2,
    wobei das Gehäuse ein Innengehäuse (9) und ein um das Innengehäuse (9) angeordnetes Außengehäuse (8) aufweist.
  4. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die Welle (10) eine Entlastungsnut (15) mit einem geringeren Durchmesser aufweist und das Mittel (20) derart ausgebildet ist, dass der heiße Dampf zur Entlastungsnut (15) führt.
  5. Strömungsmaschine nach Anspruch 4,
    wobei die Welle (10) zweiflutig ausgebildet ist und die Entlastungsnut (15) im Einströmbereich (7) angeordnet ist, wobei der Einströmbereich (7) zum Zuführen von Frischdampf ausgebildet ist.
  6. Strömungsmaschine nach Anspruch 4 oder 5,
    wobei über der Entlastungsnut (15) ein Einströmring (14) angeordnet ist, der derart ausgebildet ist, dass der Frischdampf nicht zur Entlastungsnut (15) führt.
  7. Strömungsmaschine nach Anspruch 6,
    wobei das Mittel (20) zum Zuführen von heißem Dampf derart ausgebildet ist, dass der heiße Dampf zwischen dem Einströmring (14) und der Entlastungsnut (15) strömt.
  8. Strömungsmaschine nach Anspruch 6 oder 7,
    wobei eine Dichtung zwischen dem Einströmring (14) und der Welle (10) angeordnet ist.
  9. Strömungsmaschine nach Anspruch 8,
    wobei die Dichtung als Labyrinth- oder Bürstendichtung ausgebildet ist.
  10. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 9, wobei das Mittel (20) zum Zuführen von heißem Dampf dampfdicht durch das Außengehäuse (8) und das Innengehäuse (9) geführt ist.
  11. Dampfturbinenanlage mit einer Dampfturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    einem Dampferzeuger (2),
    einem Frischdampf-Stellventil (5),
    einem Frischdampf-Schnellschlussventil (4),
    wobei ein im Dampferzeuger (2) erzeugter Frischdampf durch das Frischdampf-Stellventil (5) und das Frischdampf-Schnellschlussventil (4) in die Dampfturbine strömbar ist,
    gekennzeichnet durch
    eine Abzweigung (16), die strömungstechnisch mit dem Mittel (20) zum Zuführen von heißem Dampf verbunden ist,
    wobei die Abzweigung (16) strömungstechnisch mit dem Dampferzeuger (2) verbunden ist.
  12. Dampfturbinenanlage nach Anspruch 11,
    wobei die Abzweigung (16) zwischen dem Frischdampf-Stellventil (5) und dem Frischdampf-Schnellschlussventil (4) angeordnet ist.
  13. Dampfturbinenanlage nach Anspruch 11 oder 12,
    wobei zwischen der Abzweigung (16) und dem Mittel (20) zum Zuführen von heißem Dampf ein Ventil (10) angeordnet ist.
  14. Verfahren zum Wärmen einer Dampfturbinen-Welle (10),
    wobei die Dampfturbinen-Welle (10) einen thermisch belasteten Bereich aufweist und dieser Bereich mit einem ungedrosselten Dampf aus einer Frischdampfleitung beströmt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14,
    wobei der ungedrosselte Dampf zwischen einem Einströmring (14) und einer Entlastungsnut (15) der Welle (10) zugeführt wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15,
    wobei der ungedrosselte Dampf dampfdicht durch ein Außengehäuse (8) und ein Innengehäuse (9) der Dampfturbine (6) geführt wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16,
    wobei der ungedrosselte Dampf nach einem Lastabfall der Dampfturbine (6) zugeführt wird.
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