EP2723996B1 - Verfahren zur temperaturausgleichung in einer dampfturbine - Google Patents

Verfahren zur temperaturausgleichung in einer dampfturbine Download PDF

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EP2723996B1
EP2723996B1 EP12745820.6A EP12745820A EP2723996B1 EP 2723996 B1 EP2723996 B1 EP 2723996B1 EP 12745820 A EP12745820 A EP 12745820A EP 2723996 B1 EP2723996 B1 EP 2723996B1
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sealing steam
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Siemens AG
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    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
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    • F01D11/04—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages by non-contact sealings, e.g. of labyrinth type using sealing fluid, e.g. steam
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    • 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steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating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steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type
    • F01K7/165—Controlling means specially adapted therefor
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to a steam turbine comprising an outer housing, an inner housing disposed within the outer housing and a rotatably mounted within the inner rotor, wherein a gap is formed between the inner housing and the outer housing, wherein between the outer housing and the rotor, a sealing vapor seal is formed.
  • the invention relates to a method for avoiding a housing bend of a steam turbine.
  • the turbine housing of a steam turbine generally comprises an inner housing and an outer housing, wherein a gap is formed between the inner housing and the outer housing. These two housing parts in turn have an upper half and a lower half, in high-pressure turbines, the outer housing is designed as a pot design. In particular, after switching off the steam turbine occur on and between the housings temperature differences, which may be several Kelvin between the lower half and the relatively hot surface.
  • steam turbines have an inner housing and an outer housing surrounding the inner housing, wherein a gap is formed by this double-shell housing construction.
  • the inner housing is at least partially encased in its axial extent by a casing, which is arranged in the intermediate space.
  • a type of steam turbine is for example in the document EP1630360 A1 disclosed.
  • a steam turbine After a shutdown or a load shedding a steam turbine is in the space between the inner and outer housing a certain amount of steam, which is dependent on the prevailing pressure. Natural convection creates a temperature stratification between the upper and the lower area in the housing or in the intermediate space. These different temperatures lead to a curvature of the outer housing, which is also referred to as humping. This so-called humping is to be avoided, since the inner housing rests in the outer housing and it may result in a displacement of the inner housing relative to the rotor as a result of the curvature, resulting in the worst case to bridging the Radial Games and possibly has a rubbing result.
  • the invention has for its object to prevent curvature of the outer casing, in particular when cooling the turbine, or at least to keep low. Furthermore, a method for avoiding a housing distortion when switching off the turbine should be specified.
  • the first object is achieved according to the invention by a steam turbine according to independent claim 1.
  • the object directed to a method is achieved according to the invention by a method for avoiding a housing bend of a steam turbine when switching off the steam turbine, according to independent claim 3.
  • the invention is based on the consideration that a formation of temperature layers in the intermediate space is avoided by the injection of sealing vapor. This leads to a turbulence of the layers and thus to a reduction in the thermal stresses, which in turn reduces the curvature of the outer housing.
  • the inflow opening is fluidically connected to the sealing vapor seal, which is a relatively inexpensive solution.
  • a sealing steam line is formed which, on the one hand, permits inflow to the sealing vapor seal with sealing steam and, moreover, has a branch, which is fluidically connected to the inflow opening.
  • FIG. 1 shows a steam turbine 1 shown in cross-sectional view, comprising an outer housing 2 and an inner housing 3 disposed within the outer housing 2.
  • a rotor 4 is rotatably mounted about a rotation axis 5.
  • a gap 6 is formed between the inner housing 3 and the outer housing 4, a gap 6 is formed.
  • the inner housing 3 and the outer housing 2 can each be divided into a first, upper portion, the upper half, and in a second, lower portion, the lower half.
  • the steam turbine 1 further has a sealing region 7, which separates an outer space 8 from an inner space 9 of the steam turbine 1.
  • the sealing region 7 has a sealing steam opening 10, which is designed such that a cold sealing steam, which can be supplied externally, can flow into a gap between the outer housing 2 and the rotor 4.
  • Wrasendampfabsaugungen 11 With the help of so-called Wrasendampfabsaugungen 11, a mixed steam is sucked off again.
  • the outer housing 2 has an inflow opening 13 for the flow of sealing vapor into the intermediate space 6.
  • the vapor in the gap 6 is swirled by the inflowing sealing vapor via the inflow opening 13, which thus increases the natural convection in the intermediate space 6 and thereby avoids buckling of the outer housing 2.
  • the inflow opening 13 is fluidically connected to the sealing steam opening 10.
  • FIG. 2 shows a seen in the rotational axis direction 5 cross-section of the steam turbine 1 on.
  • the inflow opening 13 is arranged in a 12:00 o'clock position in the outer housing 2.
  • FIG. 1 shows a sealing steam line 14, in which sealing steam is formed in a sealing space between sealing vapor seal 12 and rotor 4.
  • the sealing steam line 14 is shown in dashed lines. On a representation of the sealing steam line for the others in the FIG. 1 shown sealing steam openings 10 has been omitted for reasons of clarity.
  • the sealing steam line 14 comprises a branch 16, which is fluidically connected to the inflow opening 13. To regulate the sealing steam flow in the branch 16, a valve 17 is arranged.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Dampfturbine umfassend ein Außengehäuse, ein innerhalb des Außengehäuses angeordnetes Innengehäuse und einen innerhalb des Innengehäuses drehbar gelagerten Rotor, wobei zwischen dem Innengehäuse und dem Außengehäuse ein Zwischenraum ausgebildet ist, wobei zwischen dem Außengehäuse und dem Rotor eine Sperrdampfdichtung ausgebildet ist.
  • Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Vermeidung einer Gehäuseverkrümmung einer Dampfturbine.
  • Das Turbinengehäuse einer Dampfturbine umfasst in der Regel ein Innengehäuse und ein Außengehäuse, wobei zwischen dem Innengehäuse und dem Außengehäuse ein Zwischenraum ausgebildet ist. Diese beiden Gehäuseteile weisen wiederum eine Oberhälfte und eine Unterhälfte auf, bei Hochdruckturbinen ist das Außengehäuse auch als Topfdesign ausgeführt. Insbesondere nach dem Abschalten der Dampfturbine treten an und zwischen den Gehäusen Temperaturdifferenzen auf, die zwischen der Unterhälfte und der vergleichsweise heißen Oberfläche mehrere Kelvin betragen können.
  • Wird die Dampfturbine abgeschaltet, so kühlt das Außengehäuse schneller aus als das Innengehäuse. Dadurch wird infolge freier oder natürlicher Konvektion (Naturkonvektion) im Zwischenraum zwischen dem Innengehäuse und dem Außengehäuse eine Auftriebsströmung induziert, die einen Wärmeeintrag in die Oberhälfte des Außengehäuses bewirkt. Dies wiederum kann zu einer Gehäusekrümmung insbesondere in der Oberhälfte des Außengehäuses führen, mit der Folge, dass dort unerwünschte Spannungen des Gehäusematerials und Spielüberbrückungen entstehen. Eine Verkrümmung des Innengehäuses kann zu unerwünschten Anstreifschäden führen, wenn in ungünstigen Fällen Turbinenschaufeln das Gehäuse streifen.
  • In der Regel weisen Dampfturbinen ein Innengehäuse und ein das Innengehäuse umgebendes Außengehäuse auf, wobei durch diese Doppel-Mantel-Gehäusekonstruktion ein Zwischenraum gebildet ist. Das Innengehäuse ist in seiner axialen Erstreckung zumindest teilweise von einer Verschalung ummantelt, welche im Zwischenraum angeordnet ist. Eine solche Art von Dampfturbine ist zum Beispiel in dem Dokument EP1630360 A1 offenbart.
  • Nach einem Abfahren oder einem Lastabwurf einer Dampfturbine ist im Raum zwischen dem Innen- und Außengehäuse eine bestimmte Menge Dampf, was abhängig ist vom herrschenden Druck. Durch natürliche Konvektion entsteht eine Temperaturschichtung zwischen dem oberen und dem unteren Bereich im Gehäuse bzw. im Zwischenraum. Diese unterschiedlichen Temperaturen führen zu einer Verkrümmung des Außengehäuses, was auch als Buckeln bezeichnet wird. Dieses sogenannte Buckeln gilt es zu vermeiden, da das Innengehäuse im Außengehäuse aufliegt und es in Folge der Verkrümmung zu einer Verlagerung des Innengehäuses gegenüber dem Rotor führen kann, was im schlimmsten Fall zu einer Überbrückung der Radialspiele führt und evtl. ein Anstreifen zur Folge hat.
  • Bisher wurde dieses Problem dadurch gelöst, dass ein genügend großes Radialspiel berücksichtigt wurde. Allerdings wird dadurch eine Verschlechterung des Wirkungsgrades hervorgerufen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verkrümmung des Außengehäuses, insbesondere beim Abkühlen der Turbine, zu verhindern oder zumindest gering zu halten. Des Weiteren soll ein Verfahren zur Vermeidung einer Gehäuseverkrümmung beim Abschalten der Turbine angegeben werden.
  • Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Dampfturbine gemäß dem unabhängigen Anspruch 1.
  • Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Vermeidung einer Gehäuseverkrümmung einer Dampfturbine beim Abschalten der Dampfturbine, gemäß dem unabhängigen Anspruch 3.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine Ausbildung von Temperaturschichten im Zwischenraum vermieden wird durch das Eindüsen von Sperrdampf. Dies führt zu einer Verwirbelung der Schichten und somit zu einer Verringerung der thermischen Spannungen, was wiederum die Verkrümmung des Außengehäuses reduziert.
  • Die Zuströmöffnung wird strömungstechnisch mit der Sperrdampfdichtung verbunden, was eine vergleichsweise kostengünstige Lösung ist.
  • Es wird eine Sperrdampfleitung ausgebildet, die zum einen eine Zuströmung zur Sperrdampfdichtung mit Sperrdampf ermöglicht und des Weiteren eine Abzweigung aufweist, die mit der Zuströmöffnung strömungstechnisch verbunden ist.
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • FIG 1
    Querschnittsansicht einer Dampfturbine,
    FIG 2
    Querschnittansicht einer Dampfturbine in Strömungsrichtung gesehen.
  • Die FIG 1 zeigt eine in Querschnittsansicht dargestellte Dampfturbine 1, die ein Außengehäuse 2 und ein innerhalb des Außengehäuses 2 angeordnetes Innengehäuse 3 umfasst. Innerhalb des Innengehäuses 3 ist ein Rotor 4 um eine Rotationsachse 5 drehbar gelagert. Zwischen dem Innengehäuse 3 und dem Außengehäuse 4 ist ein Zwischenraum 6 ausgebildet. Das Innengehäuse 3 und das Außengehäuse 2 lassen sich jeweils in einen ersten, oberen Teilbereich, die Oberhälfte, sowie in einen zweiten, unteren Teilbereich, die Unterhälfte, aufteilen.
  • Die Dampfturbine 1 weist des Weiteren einen Dichtungsbereich 7 auf, der einen Außenraum 8 von einem Innenraum 9 der Dampfturbine 1 trennt. Zwischen dem Rotor und dem Außengehäuse 2 im Dichtungsbereich 7 sollte keine strömungstechnische Verbindung erfolgen. Dazu weist der Dichtungsbereich 7 eine Sperrdampföffnung 10 auf, die derart ausgebildet ist, dass ein kalter Sperrdampf, der von extern zugeführt werden kann, in einen Spalt zwischen dem Außengehäuse 2 und dem Rotor 4 strömen kann. Mit Hilfe sogenannter Wrasendampfabsaugungen 11, wird ein Mischdampf wieder abgesaugt.
  • Zwischen dem Außengehäuse 2 und dem Rotor 4 ist somit eine Sperrdampfdichtung 12 ausgebildet. Das Außengehäuse 2 weist eine Zuströmöffnung 13 zum Zuströmen von Sperrdampf in den Zwischenraum 6 auf. Somit wird der im Zwischenraum 6 befindliche Dampf durch den einströmenden Sperrdampf über die Zuströmöffnung 13 verwirbelt, was somit die natürliche Konvektion im Zwischenraum 6 erhöht und dadurch ein Buckeln des Außengehäuses 2 vermeidet.
  • Die Zuströmöffnung 13 ist strömungstechnisch mit der Sperrdampföffnung 10 verbunden.
  • Die FIG 2 zeigt einen in Rotationsachsenrichtung 5 gesehenen Querschnitt der Dampfturbine 1 auf. In dem in FIG 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Zuströmöffnung 13 in einer 12:00 Uhr Position im Außengehäuse 2 angeordnet.
  • Die FIG 1 zeigt eine Sperrdampfleitung 14, in der Sperrdampf in einem Dichtraum zwischen Sperrdampfdichtung 12 und Rotor 4 ausgebildet ist.
  • Die Sperrdampfleitung 14 ist gestrichelt dargestellt. Auf eine Darstellung der Sperrdampfleitung für die weiteren in der FIG 1 gezeigten Sperrdampföffnungen 10 wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet.
  • Die Sperrdampfleitung 14 umfasst eine Abzweigung 16, die strömungstechnisch mit der Zuströmöffnung 13 verbunden ist. Zur Regulierung des Sperrdampfstroms in der Abzweigung 16 ist ein Ventil 17 angeordnet.
  • Durch die infolge der über die Zuströmöffnung 13 erzwungene Verwirbelung des im Zwischenraum 6 befindlichen Dampfes bewirkte Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung im Außengehäuse 2 wird somit der Naturkonvektion derart entgegengewirkt, dass Gehäuseverkrümmungen nach dem Abschalten beim Abkühlen der Turbine zuverlässig verhindert sind.

Claims (4)

  1. Dampfturbine (1)
    umfassend ein Außengehäuse (2), ein innerhalb des Außengehäuse (2) angeordnetes Innengehäuse (3) und einen innerhalb des Innengehäuse (3) drehbar gelagerten Rotor (4),
    wobei zwischen dem Innengehäuse (3) und dem Außengehäuse (2) ein Zwischenraum (6) ausgebildet ist,
    wobei zwischen dem Außengehäuse (2) und dem Rotor (4) eine Sperrdampfdichtung (12) ausgebildet ist,
    wobei die Sperrdampfdichtung (12) eine Sperrdampföffnung (10) aufweist, die strömungstechnisch mit einer Sperrdampfleitung (14) verbunden ist,
    wobei die Sperrdampföffnung (10) und die Sperrdampfleitung (14) derart ausgebildet sind, dass ein Sperrdampf in einen Spalt zwischen den Außengehäuse (2) und dem Rotor (4) strömen kann,
    wobei das Außengehäuse (2) eine Zuströmöffnung (13) zum Zuströmen von Sperrdampf in den Zwischenraum (6) aufweist, wobei die Zuströmöffnung (13) strömungstechnisch mit der Sperrdampfleitung (14) verbunden ist,
    wobei die Sperrdampfleitung (14) eine Abzweigung (16) aufweist, die mit der Zuströmöffnung (13) strömungstechnisch verbunden ist.
  2. Dampfturbine nach Anspruch 1,
    wobei die Abzweigung (16) ein Ventil (17) umfasst.
  3. Verfahren zur Vermeidung einer Gehäuseverkrümmung einer Dampfturbine gemäß den Ansprüchen 1 oder 2 beim Abschalten der Dampfturbine, bei dem in dem zwischen dem Innengehäuse (3) und dem das Innengehäuse (3) umgebende Außengehäuse (2) gebildeten Zwischenraum (6) eine erzwungene Verwirbelung des im Zwischenraum (6) befindlichen Mediums durch ein Zuströmen von Sperrdampf über die Öffnung (13) im Außengehäuse (2) in den Zwischenraum (6) erfolgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3,
    wobei der Sperrdampf aus der Sperrdampfleitung (14), die Sperrdampf zur Sperrdampfdichtung (12) führt, abgezweigt wird.
EP12745820.6A 2011-09-05 2012-08-03 Verfahren zur temperaturausgleichung in einer dampfturbine Active EP2723996B1 (de)

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