EP2602430B1 - Turbine - Google Patents

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Publication number
EP2602430B1
EP2602430B1 EP12193710.6A EP12193710A EP2602430B1 EP 2602430 B1 EP2602430 B1 EP 2602430B1 EP 12193710 A EP12193710 A EP 12193710A EP 2602430 B1 EP2602430 B1 EP 2602430B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
turbine
fluid
pressure
control device
piston
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Active
Application number
EP12193710.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2602430A1 (de
Inventor
Björn Reinhold
Thomas Schaake
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.)
Everllence SE
Original Assignee
MAN Diesel and Turbo SE
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 MAN Diesel and Turbo SE filed Critical MAN Diesel and Turbo SE
Publication of EP2602430A1 publication Critical patent/EP2602430A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2602430B1 publication Critical patent/EP2602430B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D3/00—Machines or engines with axial-thrust balancing effected by working-fluid
    • F01D3/04—Machines or engines with axial-thrust balancing effected by working-fluid axial thrust being compensated by thrust-balancing dummy piston or the like

Definitions

  • the invention relates to a turbine according to the preamble of claim 1.
  • a turbine of the type mentioned above is for example made US 3,614,255 A known.
  • turbine having respective axial thrusts generated by the high-pressure region and the medium-pressure region are balanced in a normal operation of the turbine by the axial thrust of the medium-pressure region and a substantially constant axial thrust of an axial thrust balance piston counteract the axial thrust of the high pressure area ,
  • a valve blocking the operating fluid supply to the medium pressure area is in a belonging to the intermediate pressure piston chamber of the axial thrust balance piston forcibly a very low back pressure, so that the force exerted by the axial thrust balance piston the flow direction of the operating fluid through the High pressure area opposite axial thrust on the rotor is increased.
  • a turbine in particular a steam turbine described, are provided in the means for an axial displacement of the rotor, so that a larger gap width between turbine blades and turbine housing during startup and shutdown of the turbine is given as during the normal operating conditions of the turbine. As a result, a tarnishing or damage to the turbine blades is prevented.
  • the means for moving the blades act on a thrust bearing. This is connected to the rotor so that during an axial displacement of the thrust bearing and the rotor is moved.
  • the means in this case comprise a system Gears and racks through which the thrust bearing and thus the rotor is axially displaced.
  • the axial thrust is influenced by a pressure control via an axial thrust balance piston by means of a valve.
  • the invention has for its object to provide a turbine according to the preamble of claim 1 so that the axial thrust of an axial thrust balance piston in a normal operation of the turbine is variable, this is achieved with a turbine according to claim 1. Further developments of the invention are defined in the dependent claims.
  • a turbine comprises: a stator and a rotor rotatably mounted in the stator; a plurality of turbine stages successively arranged by the rotor and the stator along a longitudinal direction of the turbine and through which a flow path of an operating fluid for rotationally driving the rotor extends; an axial thrust balancing piston disposed on the rotor and having on a first axial piston side a first piston chamber connected to one of the turbine stages via a first fluid line such that the operating fluid having a first fluid pressure from the one turbine stage into the first piston chamber can be converted, and on a first piston side facing away from the second axial piston side has a second piston chamber which is adapted to have a relation to the first fluid pressure reduced back pressure, so that with the axial thrust balance piston a flow direction of the operating fluid through the turbine stages opposite axial thrust on the Rotor is exercisable; and a pressure control device, which is connected to the second piston chamber of the axial thrust balance piston and which is adapted to change the back pressure.
  • the back pressure can be changed and thus a pressure difference between the first fluid pressure and back pressure can be changed.
  • This in turn can be changed during normal operation of the turbine, the axial thrust of the axial thrust balance piston.
  • the back pressure can be reduced or increased, so that the pressure difference and thus the axial thrust of the axial thrust balance piston is increased or decreased.
  • the turbine is preferably designed as a reaction turbine or overpressure turbine with a high or strong axial thrust in the flow direction of the operating fluid through the turbine stages.
  • the operating fluid is formed by steam, so that the turbine is configured as a steam turbine.
  • a non-limiting example of a reaction turbine or a steam turbine is in DE 197 01 020 A1 described.
  • the fluid sucked out of the second piston chamber is preferably formed by operating fluid.
  • the pressure control device is adapted to change the back pressure by controlled from the second piston chamber suction of fluid.
  • a thrust bearing axial bearing axially be dimensioned smaller than usual and thereby costs can be saved.
  • the pressure control device is designed as a fluid pump and has a suction side, which via a second fluid line with the second Piston chamber is connected. Furthermore, the pressure control device preferably has a pressure side, which is connected via a third fluid line to the flow path of the operating fluid at one of a turbine stage downstream in the flow path further turbine stage of the turbine stages, wherein the further turbine stage is set, with respect to the first fluid pressure reduced second fluid pressure of Have operating fluid.
  • the pressure control device is designed as a steam jet pump and has a drive side, which is connected via a fourth fluid line to the flow path of the operating fluid, so that the drive side, the operating fluid for driving the steam jet pump can be fed.
  • the fourth fluid line is preferably connected to the first fluid line, so that the drive side, the operating fluid from the first fluid line can be fed.
  • steam jet pumps and their use in turbines are for example in CH 88025 A and in DE 36 16 797 A1 described.
  • a control valve is arranged in the fourth fluid line, so that an operating fluid amount that can be supplied to the drive side of the pressure control device is variable.
  • Controlled changing the amount of operating fluid supplied to the drive side of the pressure control device during normal operation of the turbine controls the suction power of the steam jet pump in a controlled manner. This in turn is controlled in a simple and robust manner, the pressure difference between the first fluid pressure and back pressure and thus changed the axial thrust of the axial thrust balance piston.
  • the pressure control device is designed by selecting suitable motive steam parameters and diameter so that an amount of fluid discharged from the second piston chamber is approximately twice the amount of operating fluid supplied to the drive side of the pressure control device.
  • a motive steam amount is about half the amount of suction steam realized.
  • the turbine has a control device which has at least one signal input which is connected to a sensor device which detects at least one state parameter of the turbine and a signal output which is connected to the control valve, the control device being set up. to regulate via the signal output an opening degree of the control valve in dependence on the at least one state parameter of the turbine.
  • the axial thrust of the axial thrust balance piston depending on one or more state parameters (such as steam flow, speed, temperature, storage condition, etc.) of the turbine can be changed and in particular regulate.
  • the sensor device has a temperature sensor for detecting the temperature of the axial bearing of the rotor, wherein the regulating device is set up to regulate the opening degree of the control valve as a function of the temperature of the axial bearing of the rotor.
  • the turbine 1 ' has a stator 10' (shown only schematically) and a rotatably mounted in the stator 10 'rotor 20', a plurality of turbine stages 30.1 'to 30.5' (hereinafter referred to as 30 ') and the axial thrust balance piston 40'.
  • the turbine stages 30 ' are arranged successively by the rotor 20' and the stator 10 'along a longitudinal direction LR' of the turbine 1 ', with a flow path of an operating fluid through the turbine stages 30' for rotationally driving the rotor 20 '.
  • the operating fluid is formed by steam, so that the turbine 1 'is configured as a steam turbine.
  • Fig.1 corresponds to a flow direction of the operating fluid through the turbine stages 30 'through the longitudinal direction LR'.
  • the turbine 1 ' is also formed as a high-pressure thrust turbine in the flow direction of the operating fluid through the turbine stages 30'. This caused by the interaction of the operating fluid with the turbine stages 30 'axial thrust is in Fig.1 shown with thick arrows pointing to the right.
  • the axial thrust balancing piston 40 ' is arranged on the rotor 20' and has on a first axial piston side a first piston chamber 41 'which is fluidly connected via a first fluid line 51' to the first turbine stage 30.1 'of the turbine stages 30', so that in Operation of the turbine 1 ', the operating fluid is transferred with a first fluid pressure from the first turbine stage 30.1' in the first piston chamber 41 '.
  • the axial thrust balance piston 40 ' also has, on a second piston side remote from the first piston side, a second piston chamber 42' which is fluidly connected via a second fluid line 52 'to the second turbine stage 30.2' of the turbine stages 30 'downstream of the first turbine stage 30.1' in the flow path is.
  • the second turbine stage 30.2' has a second fluid pressure reduced from the first fluid pressure of FIG Operating fluid on.
  • the second piston chamber 42' has a reduced backpressure (the second fluid pressure) compared with the first fluid pressure.
  • the axial thrust balance piston 40' exerts an axial thrust opposite the flow direction (longitudinal direction LR) of the operating fluid through the turbine stages 30 '(thick arrows pointing to the left in FIG Fig.1 ) on the rotor 20 'from.
  • the inventors also recognized that it would be advantageous if the axial thrust of the axial thrust balance piston in a normal operation of the turbine would be variable, so that the axial thrust eg adaptable to current state parameters (such as steam flow, speed, temperature, storage condition, etc.) would.
  • turbine 1 has a stator 10 (shown only schematically) and a rotatably mounted in the stator 10 rotor 20, a plurality of turbine stages 30.1 to 30.5 (hereinafter referred to collectively as 30), an axial thrust balance piston 40 and a pressure control device 60 ,
  • the turbine stages 30 are sequentially arranged by the rotor 20 and the stator 10 along a longitudinal direction LR of the turbine 1, with a flow path of an operating fluid for rotationally driving the rotor 20 extending through the turbine stages 30.
  • the operating fluid is formed by steam, so that the turbine 1 is configured as a steam turbine.
  • Fig.2 corresponds to a flow direction of the operating fluid through the turbine stages 30 through the longitudinal direction LR.
  • the turbine 1 is provided as a high-pressure thrust turbine in the flow direction of the operating fluid through the turbine stages 30 (to the right in FIG Fig.2 ) educated.
  • This caused by the interaction of the operating fluid with the turbine stages 30 axial thrust corresponds to the in Fig.1 Axial thrust shown with thick right-pointing arrows.
  • the axial thrust balance piston 40 is arranged on the rotor 20 and has on a first axial piston side a first piston chamber 41, which is fluidly connected via a first fluid line 51 to the first turbine stage 30.1 of the turbine stages 30, so that during operation of the turbine 1, the operating fluid with a first fluid pressure from the first turbine stage 30.1 is transferred into the first piston chamber 41.
  • the axial thrust balancing piston 40 also has, on a second piston side remote from the first piston side, a second piston chamber 42 which, during operation of the turbine 1, has a counterpressure which is reduced with respect to the first fluid pressure.
  • the pressure control device 60 is designed as a fluid pump in the form of a steam jet pump and has a suction side 61 (with a suction steam connection), which is fluidically connected to the second piston chamber 42 via a second fluid line 52, so that the back pressure in the second piston chamber 42 during operation of the turbine 1 by controlled from the second piston chamber 42 and discharge as adjusted in particular suction of operating fluid and can be changed if necessary.
  • the pressure control device 60 further has a pressure side 62 (with an output steam connection), which is fluidly connected via a third fluid line 53 to the flow path of the operating film at the second turbine stage 30.2 of the turbine stages 30 downstream of the first turbine stage 30.1 in the flow path.
  • the second turbine stage 30.2 has a second fluid pressure of operating fluid which is reduced compared to the first fluid pressure.
  • the pressure control device 60 also has a drive side 63 (with a motive steam port) fluidly connected to the flow path of the operating fluid via a fourth fluid line 54 so that the drive side 63 can be supplied with the operating fluid for driving the pressure control device 60. More specifically, the fourth fluid passage 54 is connected to the first fluid passage 51 fluidly connected, so that the driving side 63, the operating fluid from the first fluid conduit 51 can be fed.
  • back pressure ⁇ first fluid pressure exerts the axial thrust balance piston 40 during operation of the turbine 1 one of the flow direction (longitudinal direction LR) of the operating fluid through the turbine stages 30 opposite axial thrust (corresponding to the thick leftward arrows in FIG Fig.1 ) to the left on the rotor 20.
  • a servo control valve 70 is arranged in the fourth fluid line 54, so that an operating fluid quantity that can be supplied to the drive side 63 of the pressure control device 60 is variable.
  • the suction power of the pressure control device 60 (steam jet pump) is controlledly changed. This in turn is controlled in a simple and robust manner, the pressure difference between the first fluid pressure and back pressure and thus the axial thrust of the axial thrust balance piston 40 is changed to the left.
  • the pressure control device 60 is preferably designed so that a discharged from the second piston chamber 42 amount of operating fluid about twice the the driving side 63 of the pressure control device 60 supplied operating fluid amount is. In other words, by contrast, preferably a motive steam amount is about half the amount of suction steam realized.
  • a motive steam amount is about half the amount of suction steam realized.
  • the turbine 1 also has a control device 80 which has at least one signal input 81 which is signal-connected to a sensor device 90 detecting at least one state parameter of the turbine 1, and has a bidirectional signal output 82 which is signal-connected to the servo-control valve 70 and which the bidirectional connection can detect a parking position of the servo control valve 70.
  • the control device 80 is set up to control, via the signal output 82, an opening degree of the servo control valve 70 as a function of the at least one state parameter of the turbine 1.
  • the axial thrust of the axial thrust balance piston 40 can be varied and, in particular, regulated in dependence on one or more state parameters (such as, for example, steam throughput, rotational speed, temperature, storage condition, etc.) of the turbine 1.
  • state parameters such as, for example, steam throughput, rotational speed, temperature, storage condition, etc.
  • the sensor device 90 has a temperature sensor 91 for detecting the temperature of the axial bearing of the rotor 20, wherein the control device 80 is arranged to regulate the opening degree of the servo-control valve 70 in dependence on the temperature of the axial bearing of the rotor 20.
  • a pressure control device as preferably a steam jet pump lowers the pressure behind the axial thrust balance piston 40 by controlled discharge of fluid below the level of the connected fluid line.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Turbine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Eine Turbine der eingangsgenannten Art ist beispielsweise aus US 3,614,255 A bekannt. Bei dieser einen Hochdruckbereich und einen Mitteldruckbereich mit zueinander entgegengesetzten Betriebsfluidströmungen aufweisenden Turbine werden jeweilige von dem Hochdruckbereich und dem Mitteldruckbereich erzeugte Axialschübe in einem Normalbetrieb der Turbine ausgeglichen, indem der Axialschub des Mitteldruckbereichs und ein im Wesentlichen konstanter Axialschub eines Axialschub-Ausgleichskolbens dem Axialschub des Hochdruckbereichs entgegenwirken. Mit dem in einem Temporärbetrieb der Turbine mittels eines Ventils möglichen Sperren der Betriebsfluidzufuhr zum Mitteldruckbereich stellt sich in einer zum Mitteldruckbereich gehörenden Kolbenkammer des Axialschub-Ausgleichskolbens zwangsweise ein sehr geringer Gegendruck ein, so dass der mit dem Axialschub-Ausgleichskolben ausgeübte der Strömungsrichtung des Betriebsfluids durch den Hochdruckbereich entgegengesetzte Axialschub auf den Rotor vergrößert wird.
  • In der US-PS 1.823.310 ist eine Turbine, insbesondere eine Dampfturbine, beschrieben, bei der Mittel für eine axiale Verschiebung des Rotors vorgesehen sind, so dass eine größere Spaltbreite zwischen Turbinenschaufeln und Turbinengehäuse während des An- und Abfahrens der Turbine gegeben ist als während der normalen Betriebsbedingungen der Turbine. Hierdurch wird ein Anstreifen oder eine Beschädigung der Turbinenschaufeln verhindert. Die Mittel zur Verschiebung der Laufschaufeln wirken auf ein Drucklager ein. Dieses ist mit dem Rotor so verbunden, dass bei einer axialen Verschiebung des Drucklagers auch der Rotor verschoben wird. Die Mittel umfassen hierbei ein System aus Zahnrädern und Zahnstangen, durch welches das Drucklager und damit auch der Rotor axial verschoben wird.
  • In der US 1 895 003 A wird der Axialschub durch eine Drucksteuerung über einen Axialschub-Ausgleichskolben mittels eines Ventils beeinflusst. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so bereitzustellen, dass der Axialschub eines Axialschub-Ausgleichskolbens in einem Normalbetrieb der Turbine veränderbar ist, Dies wird mit einer Turbine gemäß Anspruch 1 erreicht. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Gemäß der Erfindung weist eine Turbine auf: einen Stator und einen drehbar in dem Stator gelagerten Rotor; eine Mehrzahl von Turbinenstufen, die von dem Rotor und dem Stator gebildet entlang einer Längsrichtung der Turbine aufeinanderfolgend angeordnet sind und durch die hindurch sich ein Strömungspfad eines Betriebsfluids zum Drehantreiben des Rotors erstreckt; einen Axialschub-Ausgleichskolben, der an dem Rotor angeordnet ist und der auf einer ersten axialen Kolbenseite eine erste Kolbenkammer, die über eine erste Fluidleitung mit einer der Turbinenstufen verbunden ist, so dass das Betriebsfluid mit einem ersten Fluiddruck aus der einen Turbinenstufe in die erste Kolbenkammer überführbar ist, und auf einer der ersten Kolbenseite abgewandten zweiten axialen Kolbenseite eine zweite Kolbenkammer hat, die eingerichtet ist, einen gegenüber dem ersten Fluiddruck reduzierten Gegendruck aufzuweisen, so dass mit dem Axialschub-Ausgleichskolben ein einer Strömungsrichtung des Betriebsfluids durch die Turbinenstufen entgegengesetzter Axialschub auf den Rotor ausübbar ist; und eine Drucksteuervorrichtung, die mit der zweiten Kolbenkammer des Axialschub-Ausgleichskolbens verbunden ist und die eingerichtet ist, den Gegendruck zu verändern, Die erfindungsgemäße Turbine zeichnet sich dadurch aus, dass die Drucksteuervorrichtung eingerichtet ist, den Gegendruck durch gesteuertes aus der zweiten Kolbenkammer Abführen von Fluid zu verändern.
  • Durch das im Normalbetrieb der Turbine gesteuerte Abführen von Fluid aus der zweiten Kolbenkammer kann der Gegendruck verändert und damit eine Druckdifferenz zwischen erstem Fluiddruck und Gegendruck verändert werden. Damit kann wiederum der Axialschub des Axialschub-Ausgleichskolbens im Normalbetrieb der Turbine verändert werden. Gemäß der Erfindung kann der Gegendruck verringert oder vergrößert werden, so dass die Druckdifferenz und damit der Axialschub des Axialschub-Ausgleichskolbens vergrößert oder verringert wird.
  • Bevorzugt ist die Turbine als Reaktionsturbine bzw. Überdruckturbine mit hohem bzw. starkem Axialschub in Strömungsrichtung des Betriebsfluids durch die Turbinenstufen hindurch ausgebildet. Außerdem ist bevorzugt das Betriebsfluid von Dampf gebildet, so dass die Turbine als Dampfturbine konfiguriert ist. Ein nicht beschränkendes Beispiel für eine Reaktionsturbine bzw. eine Dampfturbine ist in DE 197 01 020 A1 beschrieben. Ferner ist bevorzugt das aus der zweiten Kolbenkammer abgesaugte Fluid von Betriebsfluid gebildet.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Drucksteuervorrichtung eingerichtet, den Gegendruck durch gesteuertes aus der zweiten Kolbenkammer Absaugen von Fluid zu verändern.
  • Durch das via Absaugen aktive Abführen von Fluid aus der zweiten Kolbenkammer ist es möglich, den Gegendruck weit über ein sonst mögliches Maß hinaus stark zu verringern, so dass die Druckdifferenz und damit der Axialschub des Axialschub-Ausgleichskolbens stark vergrößert wird. Damit kann z.B. ein den Rotor axial lagerndes Axiallager kleiner als üblich dimensioniert werden und können dadurch Kosten eingespart werden.
  • Bevorzugt ist die Drucksteuervorrichtung als Fluidpumpe ausgebildet und weist eine Saugseite auf, die über eine zweite Fluidleitung mit der zweiten Kolbenkammer verbunden ist. Ferner weist die Drucksteuervorrichtung bevorzugt eine Druckseite auf, die über eine dritte Fluidleitung mit dem Strömungspfad des Betriebsfluids an einer der einen Turbinenstufe im Strömungspfad nachgelagerten weiteren Turbinenstufe der Turbinenstufen verbunden ist, wobei die weitere Turbinenstufe eingerichtet ist, einen gegenüber dem ersten Fluiddruck reduzierten zweiten Fluiddruck von Betriebsfluid aufzuweisen.
  • Auf diese Weise wird, wenn das abgesaugte Fluid wie bevorzugt Betriebsfluid ist, dieses abgesaugte Fluid vorteilhaft dem Turbinenprozess wieder zugeführt, so dass der Wirkungsgrad der Turbine erhöht wird.
  • Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Drucksteuervorrichtung als Dampfstrahlpumpe ausgebildet und weist eine Treibseite auf, die über eine vierte Fluidleitung mit dem Strömungspfad des Betriebsfluids verbunden ist, so dass der Treibseite das Betriebsfluid zum Antreiben der Dampfstrahlpumpe zuführbar ist.
  • Auf diese Weise braucht für den Antrieb der Fluidpumpe kein separates Medium bereitgestellt werden, womit weitere Kosten eingespart werden und die Komplexität der Turbine reduziert wird. In diesem Kontext ist bevorzugt die vierte Fluidleitung mit der ersten Fluidleitung verbunden, so dass der Treibseite das Betriebsfluid aus der ersten Fluidleitung zuführbar ist. Nichtbeschränkende Beispiele für Dampfstrahlpumpen und deren Verwendung in Turbinen sind beispielsweise in CH 88025 A und in DE 36 16 797 A1 beschrieben.
  • Gemäß noch einer Ausführungsform der Erfindung ist in der vierten Fluidleitung ein Stellventil angeordnet, so dass eine der Treibseite der Drucksteuervorrichtung zuführbare Betriebsfluidmenge veränderbar ist.
  • Durch das gesteuerte Verändern der der Treibseite der Drucksteuervorrichtung im Normalbetrieb der Turbine zugeführten Betriebsfluidmenge wird gesteuert die Saugleistung der Dampfstrahlpumpe verändert. Damit wird wiederum auf einfache und robuste Weise gesteuert die Druckdifferenz zwischen erstem Fluiddruck und Gegendruck und damit der Axialschub des Axialschub-Ausgleichskolbens verändert.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Drucksteuervorrichtung durch Wahl geeigneter Treibdampfparameter und Durchmesser so ausgelegt, dass eine aus der zweiten Kolbenkammer abgeführte Fluidmenge etwa das Doppelte der der Treibseite der Drucksteuervorrichtung zugeführten Betriebsfluidmenge beträgt. Mit anderen Worten beträgt im Umkehrschluss bevorzugt eine Treibdampfmenge etwa die Hälfte der realisierten Saugdampfmenge. Durch diese Auslegung der Dampfstrahlpumpe kann über die der Treibseite der Drucksteuervorrichtung zugeführte Betriebsfluidmenge bzw. Treibdampfmenge der Gegendruck auf der zweiten axialen Kolbenseite des Axialschub-Ausgleichskolbens halbiert werden.
  • Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Turbine eine Regeleinrichtung auf, die wenigstens einen Signaleingang, der mit einer wenigstens einen Zustandsparameter der Turbine erfassenden Sensoreinrichtung verbunden ist, und einen Signalausgang aufweist, der mit dem Stellventil verbunden ist, wobei die Regeleinrichtung eingerichtet ist, über den Signalausgang einen Öffnungsgrad des Stellventils in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Zustandsparameter der Turbine zu regeln.
  • Auf diese Weise lässt sich der Axialschub des Axialschub-Ausgleichskolbens in Abhängigkeit von einem oder mehreren Zustandsparametern (wie z.B. Dampfdurchsatz, Drehzahl, Temperatur, Lagerzustand usw.) der Turbine verändern und insbesondere regeln.
  • Bevorzugt weist die Sensoreinrichtung einen Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur des Axiallagers des Rotors auf, wobei die Regeleinrichtung eingerichtet ist, den Öffnungsgrad des Stellventils in Abhängigkeit von der Temperatur des Axiallagers des Rotors zu regeln.
  • Im Fazit ist es gemäß einer Ausführungsform der Erfindung möglich, den Axialschubausgleich bei Reaktionsturbinen weiter zu erhöhen, als es z.B. mit Anschluss des Ausgleichkolbens an ein niedrigstes Druckniveau möglich wäre. Dabei senkt eine Dampfstrahlpumpe den Druck hinter einem Ausgleichskolben unter das Niveau der angeschlossenen Rohrleitung ab.
  • Die Erfindung erstreckt sich ausdrücklich auch auf solche Ausführungsformen, welche nicht durch Merkmalskombinationen aus expliziten Rückbezügen der Ansprüche gegeben sind, womit die offenbarten Merkmale der Erfindung - soweit dies technisch sinnvoll ist - beliebig miteinander kombiniert sein können.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren detaillierter beschrieben.
    • Fig.1
    zeigt eine Ausführungsform einer Turbine mit einem AxialschubAusgleichskolben.
    Fig.2
    zeigt eine Turbine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Zunächst werden unter Bezugnahme auf Fig.1 Axialschubwirkungen bei einer einen Axialschub-Ausgleichskolben 40' aufweisenden Turbine 1' erläutert. Die Turbine 1' ist
  • Die Turbine 1' weist einen Stator 10' (nur schematisch dargestellt) sowie einen drehbar in dem Stator 10' gelagerten Rotor 20', eine Mehrzahl von Turbinenstufen 30.1' bis 30,5' (im Folgenden als Gesamtheit mit 30' bezeichnet) und den Axialschub-Ausgleichskolben 40' auf.
  • Die Turbinenstufen 30' sind von dem Rotor 20' und dem Stator 10' gebildet entlang einer Längsrichtung LR' der Turbine 1' aufeinanderfolgend angeordnet, wobei sich durch die Turbinenstufen 30' hindurch ein Strömungspfad eines Betriebsfluids zum Drehantreiben des Rotors 20' erstreckt. Gemäß dieser Ausführungsform ist das Betriebsfluid von Dampf gebildet, so dass die Turbine 1' als Dampfturbine konfiguriert ist. In Fig.1 entspricht eine Strömungsrichtung des Betriebsfluids durch die Turbinenstufen 30' hindurch der Längsrichtung LR'.
  • Gemäß dieser Ausführungsform ist die Turbine 1' außerdem als Reaktionsturbine bzw. Überdruckturbine mit hohem bzw. starkem Axialschub in Strömungsrichtung des Betriebsfluids durch die Turbinenstufen 30' hindurch ausgebildet. Dieser durch die Interaktion des Betriebsfluids mit den Turbinenstufen 30' hervorgerufene Axialschub ist in Fig.1 mit dicken nach rechts weisenden Pfeilen dargestellt.
  • Der Axialschub-Ausgleichskolben 40' ist an dem Rotor 20' angeordnet und weist auf einer ersten axialen Kolbenseite eine erste Kolbenkammer 41' auf, die über eine erste Fluidleitung 51' mit der ersten Turbinenstufe 30.1' der Turbinenstufen 30' fluidverbunden ist, so dass im Betrieb der Turbine 1' das Betriebsfluid mit einem ersten Fluiddruck aus der ersten Turbinenstufe 30.1' in die erste Kolbenkammer 41' überführt wird.
  • Der Axialschub-Ausgleichskolben 40' weist außerdem auf einer der ersten Kolbenseite abgewandten zweiten axialen Kolbenseite eine zweite Kolbenkammer 42' auf, die über eine zweite Fluidleitung 52' mit der der ersten Turbinenstufe 30.1' im Strömungspfad nachgelagerten zweiten Turbinenstufe 30.2' der Turbinenstufen 30' fluidverbunden ist. Die zweite Turbinenstufe 30.2' weist im Betrieb der Turbine 1' einen gegenüber dem ersten Fluiddruck reduzierten zweiten Fluiddruck von Betriebsfluid auf. Damit weist die zweite Kolbenkammer 42' im Betrieb der Turbine 1' einen gegenüber dem ersten Fluiddruck reduzierten Gegendruck (den zweiten Fluiddruck) auf.
  • Durch diese Druckverhältnisse übt der Axialschub-Ausgleichskolben 40' im Betrieb der Turbine 1' einen der Strömungsrichtung (Längsrichtung LR) des Betriebsfluids durch die Turbinenstufen 30' entgegengesetzten Axialschub (dicke nach links weisende Pfeile in Fig.1) auf den Rotor 20' aus.
  • Durch diesen der Strömungsrichtung (Längsrichtung LR) des Betriebsfluids durch die Turbinenstufen 30' entgegengesetzten Axialschub (dicke nach links weisende Pfeile in Fig.1) wird der durch die Interaktion des Betriebsfluids mit den Turbinenstufen 30' hervorgerufene Axialschub (dicke nach rechts weisende Pfeile in Fig.1) teilweise kompensiert. Der verbleibende Axialschub in Längsrichtung LR muss durch ein nicht dargestelltes Axiallager für den Rotor 20' aufgenommen werden. In diesem Zusammenhang ist verständlich, dass umso größer der verbleibende Axialschub in Längsrichtung LR ist, desto größer bzw. stabiler das Axiallager für den Rotor 20' auszulegen ist.
  • Von den Erfindern wurde erkannt, dass durch Absenkung des Druckniveaus in der zweiten Kolbenkammer 42' der Gesamt-Axialschub bzw. der verbleibende von dem Axiallager aufzunehmende Axialschub gesenkt werden kann. Dies könnte gemäß der Ausführung von Fig.1 durch Anschließen der zweiten Fluidleitung 52' an ein tieferes Druckniveau in der Turbine 1' erreicht werden.
  • Allerdings wurde von den Erfindern auch erkannt, dass es vorteilhaft wäre, wenn der Axialschub des Axialschub-Ausgleichskolbens in einem Normalbetrieb der Turbine veränderbar wäre, so dass der Axialschub z.B. an aktuelle Zustandsparameter (wie z.B. Dampfdurchsatz, Drehzahl, Temperatur, Lagerzustand usw.) anpassbar wäre.
  • Eine solche Lösung wird nun unter Bezugnahme auf Fig.2 beschrieben, in der eine Turbine 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt ist. In der folgenden Beschreibung von Fig.2 bezeichnen gleiche oder ähnliche Bezugszeichen (ohne Apostroph) gleiche oder ähnliche Komponenten.
  • Die in Fig.2 gezeigte Turbine 1 weist einen Stator 10 (nur schematisch dargestellt) sowie einen drehbar in dem Stator 10 gelagerten Rotor 20, eine Mehrzahl von Turbinenstufen 30.1 bis 30.5 (im Folgenden als Gesamtheit mit 30 bezeichnet), einen Axialschub-Ausgleichskolben 40 und eine Drucksteuervorrichtung 60 auf.
  • Die Turbinenstufen 30 sind von dem Rotor 20 und dem Stator 10 gebildet entlang einer Längsrichtung LR der Turbine 1 aufeinanderfolgend angeordnet, wobei sich durch die Turbinenstufen 30 hindurch ein Strömungspfad eines Betriebsfluids zum Drehantreiben des Rotors 20 erstreckt. Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung ist das Betriebsfluid von Dampf gebildet, so dass die Turbine 1 als Dampfturbine konfiguriert ist. In Fig.2 entspricht eine Strömungsrichtung des Betriebsfluids durch die Turbinenstufen 30 hindurch der Längsrichtung LR.
  • Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung ist die Turbine 1 außerdem als Reaktionsturbine bzw. Überdruckturbine mit hohem bzw. starkem Axialschub in Strömungsrichtung des Betriebsfluids durch die Turbinenstufen 30 hindurch (nach rechts in Fig.2) ausgebildet. Dieser durch die Interaktion des Betriebsfluids mit den Turbinenstufen 30 hervorgerufene Axialschub entspricht dem in Fig.1 mit dicken nach rechts weisenden Pfeilen dargestellten Axialschub.
  • Der Axialschub-Ausgleichskolben 40 ist an dem Rotor 20 angeordnet und weist auf einer ersten axialen Kolbenseite eine erste Kolbenkammer 41 auf, die über eine erste Fluidleitung 51 mit der ersten Turbinenstufe 30.1 der Turbinenstufen 30 fluidverbunden ist, so dass im Betrieb der Turbine 1 das Betriebsfluid mit einem ersten Fluiddruck aus der ersten Turbinenstufe 30.1 in die erste Kolbenkammer 41 überführt wird.
  • Der Axialschub-Ausgleichskolben 40 weist außerdem auf einer der ersten Kolbenseite abgewandten zweiten axialen Kolbenseite eine zweite Kolbenkammer 42 auf, die im Betrieb der Turbine 1 einen gegenüber dem ersten Fluiddruck reduzierten Gegendruck aufweist.
  • Die Drucksteuervorrichtung 60 ist als Fluidpumpe in Form einer Dampfstrahlpumpe ausgebildet und weist eine Saugseite 61 (mit einem Saugdampfanschluss) auf, die über eine zweite Fluidleitung 52 mit der zweiten Kolbenkammer 42 fluidverbunden ist, so dass der Gegendruck in der zweiten Kolbenkammer 42 im Betrieb der Turbine 1 durch gesteuertes aus der zweiten Kolbenkammer 42 Abführen und wie hier insbesondere Absaugen von Betriebsfluid eingestellt und bei Bedarf verändert werden kann.
  • Die Drucksteuervorrichtung 60 weist ferner eine Druckseite 62 (mit einem Ausgabedampfanschluss) auf, die über eine dritte Fluidleitung 53 mit dem Strömungspfad des Betriebsfiluids an der der ersten Turbinenstufe 30.1 im Strömungspfad nachgelagerten zweiten Turbinenstufe 30.2 der Turbinenstufen 30 fluidverbunden ist. Die zweite Turbinenstufe 30.2 weist im Betrieb der Turbine 1 einen gegenüber dem ersten Fluiddruck reduzierten zweiten Fluiddruck von Betriebsfluid auf.
  • Die Drucksteuervorrichtung 60 weist außerdem eine Treibseite 63 (mit einem Treibdampfanschluss) auf, die über eine vierte Fluidleitung 54 mit dem Strömungspfad des Betriebsfluids fluidverbunden ist, so dass der Treibseite 63 das Betriebsfluid zum Antreiben der Drucksteuervorrichtung 60 zuführbar ist. Genauer gesagt ist die vierte Fluidleitung 54 mit der ersten Fluidleitung 51 fluidverbunden, so dass der Treibseite 63 das Betriebsfluid aus der ersten Fluidleitung 51 zuführbar ist.
  • Durch die oben beschriebenen Druckverhältnisse (Gegendruck < erster Fluiddruck) übt der Axialschub-Ausgleichskolben 40 im Betrieb der Turbine 1 einen der Strömungsrichtung (Längsrichtung LR) des Betriebsfluids durch die Turbinenstufen 30 entgegengesetzten Axialschub (entsprechend den dicken nach links weisenden Pfeilen in Fig.1) nach links auf den Rotor 20 aus.
  • Durch diesen der Strömungsrichtung (Längsrichtung LR) des Betriebsfluids durch die Turbinenstufen 30 entgegengesetzten Axialschub nach links wird der durch die Interaktion des Betriebsfluids mit den Turbinenstufen 30 hervorgerufene Axialschub nach rechts in bestimmtem Ausmaß kompensiert. Der verbleibende Axialschub in Längsrichtung LR (nach rechts) muss durch ein nicht dargestelltes Axiallager für den Rotor 20 aufgenommen werden.
  • Um den vom Axialschub-Ausgleichskolben 40 bereitgestellten Axialschub nach links zu steuern und insbesondere zu regeln, ist in der vierten Fluidleitung 54 ein Servo-Stellventil 70 angeordnet, so dass eine der Treibseite 63 der Drucksteuervorrichtung 60 zuführbare Betriebsfluidmenge veränderbar ist.
  • Durch das gesteuerte Verändern der der Treibseite 63 der Drucksteuervorrichtung 60 im Normalbetrieb der Turbine 1 zugeführten Betriebsfluidmenge wird gesteuert die Saugleistung der Drucksteuervorrichtung 60 (Dampfstrahlpumpe) verändert. Damit wird wiederum auf einfache und robuste Weise gesteuert die Druckdifferenz zwischen erstem Fluiddruck und Gegendruck und damit der Axialschub des Axialschub-Ausgleichskolbens 40 nach links verändert.
  • Die Drucksteuervorrichtung 60 ist bevorzugt so ausgelegt, dass eine aus der zweiten Kolbenkammer 42 abgeführte Betriebsfluidmenge etwa das Doppelte der der Treibseite 63 der Drucksteuervorrichtung 60 zugeführten Betriebsfluidmenge beträgt. Mit anderen Worten beträgt im Umkehrschluss bevorzugt eine Treibdampfmenge etwa die Hälfte der realisierten Saugdampfmenge. Durch diese Auslegung der Drucksteuervorrichtung 60 kann über die der Treibseite 63 der Drucksteuervorrichtung 60 zugeführte Betriebsfluidmenge bzw. Treibdampfmenge der Gegendruck auf der zweiten axialen Kolbenseite des Axialschub-Ausgleichskolbens 40 halbiert werden.
  • Die Turbine 1 weist außerdem eine Regeleinrichtung 80 auf, die wenigstens einen Signaleingang 81, der mit einer wenigstens einen Zustandsparameter der Turbine 1 erfassenden Sensoreinrichtung 90 signalverbunden ist, und einen bidirektionalen Signalausgang 82 hat, der mit dem Servo-Stellventil 70 signalverbunden ist und der über die bidirektionale Verbindung eine Stellposition des Servo-Stellventils 70 erfassen kann.
  • Die Regeleinrichtung 80 ist eingerichtet, über den Signalausgang 82 einen Öffnungsgrad des Servo-Stellventils 70 in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Zustandsparameter der Turbine 1 zu regeln.
  • Auf diese Weise lässt sich der Axialschub des Axialschub-Ausgleichskolbens 40 in Abhängigkeit von einem oder mehreren Zustandsparametern (wie z.B. Dampfdurchsatz, Drehzahl, Temperatur, Lagerzustand usw.) der Turbine 1 verändern und insbesondere regeln.
  • Gemäß der in Fig.2 gezeigten Ausführungsform der Erfindung weist die Sensoreinrichtung 90 einen Temperatursensor 91 zum Erfassen der Temperatur des Axiallagers des Rotors 20 auf, wobei die Regeleinrichtung 80 eingerichtet ist, den Öffnungsgrad des Servo-Stellventils 70 in Abhängigkeit von der Temperatur des Axiallagers des Rotors 20 zu regeln.
  • Im Fazit ist es gemäß der Erfindung möglich, den Axialschubausgleich bei Turbinen wie insbesondere Reaktionsturbinen weiter zu erhöhen, als es z.B. mit Anschluss des Axialschub-Ausgleichkolbens 40 an ein niedrigstes Druckniveau möglich wäre. Dabei senkt eine Drucksteuervorrichtung wie bevorzugt eine Dampfstrahlpumpe den Druck hinter dem Axialschub-Ausgleichkolben 40 durch geregeltes Abführen von Fluid unter das Niveau der angeschlossenen Fluidleitung ab.
    • Bezugszeichenliste
    • 1; 1'
    Turbine
    10; 10'
    Stator
    20; 20'
    Rotor
    30; 30'
    Turbinenstufen (Gesamtheit)
    30.1-30.5
    Turbinenstufen (einzeln)
    30.1'-30.5'
    Turbinenstufen (einzeln)
    40; 40'
    Axialschub-Ausgleichskolben
    41; 41'
    erste Kolbenkammer
    42; 42'
    zweite Kolbenkammer
    51; 51'
    erste Fluidleitung
    52; 52'
    zweite Fluidleitung
    53
    dritte Fluidleitung
    54
    vierte Fluidleitung
    60
    Drucksteuervorrichtung
    61
    Saugseite
    62
    Druckseite
    63
    Treibseite
    70
    (Servo-) Stellventil
    80
    Regeleinrichtung
    81
    Signaleingang
    82
    Signalausgang
    90
    Sensoreinrichtung
    91
    Temperatursensor
    LR; LR'
    Längsrichtung

Claims (8)

  1. Turbine (1) mit:
    einem Stator (10) und einem drehbar in dem Stator (10) gelagerten Rotor (20),
    einer Mehrzahl von Turbinenstufen (30), die von dem Rotor (20) und dem Stator (10) gebildet entlang einer Längsrichtung (LR) der Turbine (1) aufeinanderfolgend angeordnet sind und durch die hindurch sich ein Strömungspfad eines Betriebsfluids zum Drehantreiben des Rotors (20) erstreckt,
    einem Axialschub-Ausgleichskolben (40), der an dem Rotor (20) angeordnet ist und der auf einer ersten axialen Kolbenseite eine erste Kolbenkammer (41), die über eine erste Fluidleitung (51) mit einer der Turbinenstufen (30.1) verbunden ist, so dass das Betriebsfluid mit einem ersten Fluiddruck aus der einen Turbinenstufe (30.1) in die erste Kolbenkammer (41) überführbar ist, und auf einer der ersten Kolbenseite abgewandten zweiten axialen Kolbenseite eine zweite Kolbenkammer (42) hat, die eingerichtet ist, einen gegenüber dem ersten Fluiddruck reduzierten Gegendruck aufzuweisen, so dass mit dem Axialschub-Ausgleichskolben (40) ein einer Strömungsrichtung des Betriebsfluids durch die Turbinenstufen (30) entgegengesetzter Axialschub auf den Rotor (20) ausübbar ist, und
    einer Drucksteuervorrichtung (60), die mit der zweiten Kolbenkammer (42) des Axialschub-Ausgleichskolbens (40) verbunden ist und die eingerichtet ist, den Gegendruck zu verändern,
    wobei die Drucksteuervorrichtung (60) eingerichtet ist, den Gegendruck durch gesteuertes Abführen von Fluid aus der zweiten Kolbenkammer (42) zu verändern,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Drucksteuervorrichtung (60) als Fluidpumpe ausgebildet ist und eine Saugseite (61) aufweist, die über eine zweite Fluidleitung (52) mit der zweiten Kolbenkammer (42) verbunden ist.
  2. Turbine (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Drucksteuervorrichtung (60) eine Druckseite (62) aufweist, die über eine dritte Fluidleitung (53) mit dem Strömungspfad des Betriebsfluids an einer der einen Turbinenstufe (30.1) im Strömungspfad nachgelagerten weiteren Turbinenstufe (30.2) der Turbinenstufen (30) verbunden ist, wobei die weitere Turbinenstufe (30.2) eingerichtet ist, einen gegenüber dem ersten Fluiddruck reduzierten zweiten Fluiddruck von Betriebsfluid aufzuweisen.
  3. Turbine (1) gemäß Anspruch 2, wobei die Drucksteuervorrichtung (30) als Dampfstrahlpumpe ausgebildet ist und eine Treibseite (63) aufweist, die über eine vierte Fluidleitung (54) mit dem Strömungspfad des Betriebsfluids verbunden ist, so dass der Treibseite (63) das Betriebsfluid zum Antreiben der Dampfstrahlpumpe zuführbar ist.
  4. Turbine (1) gemäß Anspruch 3, wobei die vierte Fluidleitung (54) mit der ersten Fluidleitung (51) verbunden ist, so dass der Treibseite (63) das Betriebsfluid aus der ersten Fluidleitung (51) zuführbar ist.
  5. Turbine (1) gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei in der vierten Fluidleitung (54) ein Stellventil (70) angeordnet ist, so dass eine der Treibseite (63) der Drucksteuervorrichtung (60) zuführbare Betriebsfluidmenge veränderbar ist.
  6. Turbine (1) gemäß Anspruch 5, wobei die Drucksteuervorrichtung (60) so ausgelegt ist, dass eine aus der zweiten Kolbenkammer (42) abgeführte Fluidmenge etwa das Doppelte der der Treibseite (63) der Drucksteuervorrichtung (60) zugeführten Betriebsfluidmenge beträgt.
  7. Turbine (1) gemäß Anspruch 5 oder 6, mit einer Regeleinrichtung (80), die wenigstens einen Signaleingang (81), der mit einer wenigstens einen Zustandsparameter der Turbine (1) erfassenden Sensoreinrichtung (90) verbunden ist, und einen Signalausgang (82) aufweist, der mit dem Stellventil (70) verbunden ist, wobei die Regeleinrichtung (80) eingerichtet ist, über den Signalausgang (82) einen Öffnungsgrad des Stellventils (70) in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Zustandsparameter der Turbine (1) zu regeln.
  8. Turbine (1) gemäß Anspruch 7, wobei die Sensoreinrichtung (90) einen Temperatursensor (91) zum Erfassen der Temperatur eines Axiallagers des Rotors (20) aufweist, und wobei die Regeleinrichtung (80) eingerichtet ist, den Öffnungsgrad des Stellventils (70) in Abhängigkeit von der Temperatur des Axiallagers des Rotors (20) zu regeln.
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