EP2805026A1 - Turbinensystem mit drei an einem zentralen getriebe angekoppelten turbinen und verfahren zum betreiben einer arbeitsmaschine - Google Patents

Turbinensystem mit drei an einem zentralen getriebe angekoppelten turbinen und verfahren zum betreiben einer arbeitsmaschine

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EP2805026A1
EP2805026A1 EP13710387.5A EP13710387A EP2805026A1 EP 2805026 A1 EP2805026 A1 EP 2805026A1 EP 13710387 A EP13710387 A EP 13710387A EP 2805026 A1 EP2805026 A1 EP 2805026A1
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EP
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turbine
working fluid
fluid
fluid line
turbines
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EP13710387.5A
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Thomas Müller
Volker Neumann
Marc OVERATH
Matthias Schleer
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Howden Turbo GmbH
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Siemens AG
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Publication date
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Publication of EP2805026B1 publication Critical patent/EP2805026B1/de
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    • F01D1/20—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines without stationary working-fluid guiding means traversed by the working-fluid substantially axially
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    • F01K7/02—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steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being of multiple-expansion type
    • F01K7/04—Control 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
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/40—Transmission of power

Definitions

  • the present invention relates generally to the field of turbine engineering.
  • the present invention particularly relates to a turbine system having a plurality of turbines which are connected the rear reinan ⁇ with respect to the flow of a working fluid and capable of driving a work machine together.
  • the present invention further relates to a turbine system with such a turbine system and a mechanically coupled to the turbine system work machine.
  • the present invention relates to a method for operating a work machine by means of such a turbine system.
  • the working fluid or the steam along the flow direction is typically expanded via a turbine with a turbine shaft.
  • the turbine may be a so-called.
  • Multi-stage turbine which has a plurality of identical or different arrangements from each of a rotor blade ⁇ row (blade row) and a stator blade row (Leitschaufelsch).
  • the turbine shaft drives entwe ⁇ der directly or indirectly via a separately stationary gear on a working machine.
  • a turbine system in which two separate turbines, each of which has a turbine housing, are flowed through in succession by the working fluid.
  • the two turbines are arranged on one or two separate transmission shafts.
  • the two turbines drive the machine. Due to the usually small number of rotor Blade rows in both turbines, which are typically used for such a turbine system, the thermodynamic efficiency of such a turbine system ver ⁇ is comparatively low.
  • the present invention has for its object to provide a simple to implement turbine system, a turbine plant and a method for operating a work machine with a good thermodynamic efficiency.
  • a Turbinensys ⁇ system which comprises (a) a first turbine, (b) a second turbine, (c) a third turbine, (d) a centra ⁇ les gear, which the input side to the three turbine is mechanically coupled and which on the output side has a me ⁇ -mechanical terminal to which a mechanical energy absorbing work machine is connected, (e) a first fluid conduit for passing a working fluid from the first turbine to the second turbine, (f) a two- ⁇ te fluid line for transferring the working fluid from the second turbine and the third turbine, (g) a first at ⁇ circuit device, which is associated with the first fluid line and which set up such that a first part ⁇ mass flow of the working fluid from the first fluid line removed or the first fluid line can be supplied, and (h) a second connection device, which is the second fluid is associated with id réelle and which is set up such that a second partial mass flow of the working fluid can be removed from the second fluid line or
  • the turbine system described is based on the finding that in a turbine system which has at least three turbines, not all turbines must be arranged on a common shaft but can be mechanically coupled to a central gear.
  • the turbines of the turbine system described are connected in terms of Strö ⁇ mung path of the working fluid behind the other, where at downstream of the second turbine, the first turbine ⁇ and the third turbine, the second turbine is connected downstream.
  • the working fluid which has performed in the first turbine Ar ⁇ work and then leaves the first turbine, transferable by means of the first fluid line to the second turbine.
  • the working fluid, wel ⁇ ches has done work in the second turbine and thereafter leaves the second turbine, transferable by means of the second fluid conduit to the third turbine.
  • the described turbine system with a central transmission offers compared to a conventional turbine system, in which all turbines with a common relatively long
  • the described turbine system can be realized within a relatively small space. Because of the possibility to choose the spatial arrangement of the individual turbines flexible, the turbine system described can be adapted relatively easily to a specified by a customer Spezifikati ⁇ on. In addition, the described turbine system can be rebuilt if necessary relatively simple and adapted accordingly, for example, with changed operating parameters. In the case of a revision, maintenance or repair, a particularly easy accessibility of the individual components of the described turbine system can be ensured. Further, the described Turbinensys ⁇ system can be realized comparatively cost effective. Another advantage of the one described in this document
  • Turbine system is that compared to known turbine systems, in which the individual turbines are coupled to a common relatively long shaft, several short single turbine waves are used. As a result, a particularly high so-called quick start capability can be achieved in an advantageous manner.
  • the described turbines may in particular be turbines, which remove energy from the working fluid only due to an expansion of the working fluid and which, in addition to an expansion stage, have no compressor stage.
  • the working fluid may be any arbitrary under a pressure ste ⁇ rising fluid which is able to align with a through ⁇ gear by the respective turbine mechanical work to ver ⁇ .
  • the working fluid may in particular be steam (eg water). steam), which was generated by a steam generator.
  • the steam generator may be a power plant which generates the water vapor primarily for the purpose of use by the described turbine system.
  • the steam generator can also be a system which generates the water vapor primarily for other processes (eg for the purpose of cleaning and / or sterilization) and which only supplies the steam to the described turbine system if the water vapor is not suitable for these processes are used.
  • the working fluid may also be a simple gas that has previously been compressed to store energy between.
  • the gas compression can be carried out for example by a compressor operated with electric energy in a period in which, for example, a larger amount of electrical energy is provided by regenerative energy sources than is currently consumed.
  • the described turbines may be any type of turbines in which the working fluid drives a rotor. Of course, depends in a known manner, the structural design of the turbine from the working fluid used. In the case of the use of steam as the working fluid is so-called steam turbines. If the working medium is a pressurized gas, then one usually speaks of gas expansion turbines.
  • the turbine system further comprises (a) a first control device, which is associated with the first connection device, for setting the intensity of the first partial mass flow and / or (b) a second regulation device, which is assigned to the second connection device, for adjusting the strength of the second partial mass flow.
  • the described control devices may each have an actuator which, for example, due to a Narrowing or widening of its cross-section can determine the strength or the height of the respective (partial) mass flow, which is fed via the relevant connection device from the outside into the relevant fluid line or discharged from the relevant fluid line to the outside.
  • the control means described may each have a suitable sensor, which detects a state quantity such as the pressure of the working fluid in the Subject Author ⁇ fenden fluid line, wherein the actuator, for example an adjustable valve or an adjustable Dros ⁇ sel, based on the detection value of this State variable can adjust the relevant (partial) mass flow so that this state variable remains at least approximately constant even under varying operating conditions.
  • skillful control of the (part) mass flows of the working fluid can create or maintain conditions for each turbine which ensure high efficiency for each turbine and, of course, the entire turbine system.
  • decoupling or extracting a partial mass flow does not necessarily mean that this partial mass flow is lost for energy generation.
  • this partial mass flow can, for example, be supplied to the described turbine system at another point via another connection device.
  • a (partial) mass flow fed into the turbine system from the outside can also have been taken from the main mass flow of the turbine system described elsewhere by means of another connection device.
  • the use of at least one buffer for temporary storage of working fluid is possible in this context.
  • the two control devices in conjunction with the respectively associated connection devices offer the possibility of realizing precisely defined intermediate pressure stages, of which the working fluid taken in a simple and controlled manner and / or which the working fluid can be supplied ⁇ leads in a simple and controlled manner. As a result, the flexibility of the entire turbine system is considerably increased, in particular with existing load changes.
  • the first turbine and the second turbine are coupled to the central transmission via a common shaft, in particular one of the two turbines on a first side of the central transmission and the other of the two turbines on a second side of the central turbine central transmission is arranged.
  • the first side is opposite to the second side.
  • the common shaft can be an integral or a multi ⁇ lumpy shaft.
  • the several pieces of the common shaft should be connected to one another so firmly that the rotors of the two turbines are coupled to one another in a rotationally fixed manner.
  • the rotors of the two turbines can be "flying", ie arranged without a turbine-side bearing in the respective Turbinenge ⁇ housing. In this case, the rotor or the entire turbine is outside the bearings of the common shaft.
  • This has the advantage that only in or on the central transmission a suitable storage of the common shaft must be present.
  • a suitable storage can be realized for example by means of two bearings, wherein one of the two bearings on the first side and the other of the two bearings on the opposite second side of the central transmission is arranged.
  • the first turbine and the third turbine are coupled with the center ⁇ eral transmission, the first turbine having a first rotational frequency and said third turbine operable at a second rotational frequency, wherein the first rotational frequency is different from the second rotational frequency.
  • a specific ratio between the first rotational frequency and the second rotational frequency can be set by the choice of respectively suitable gear ratios in the coupling between the turbine concerned and the central transmission.
  • Turbine can be operated in an optimal speed range. Thus, a particularly high efficiency of the individual turbines and thus also of the entire turbine system can be achieved.
  • the shaft speeds of the first turbine and the second turbine can be adapted to the respective Turbi ⁇ NEN, and in particular to the respective turbines zugeord ⁇ Neten pressure levels.
  • an optimization of the described turbine system with regard to its efficiency or with regard to its efficiency can be achieved in a simple manner.
  • At least one of the three turbines is a radial turbine.
  • Turbine system flows is set.
  • this (first) radial turbine can be permitted with suitable control valves from ⁇ , can be adjusted by means of which in a known way, the total mass flow of working fluid.
  • At least one of the three turbines is an axial turbine.
  • the axial-flow turbine in which the working fluid in the axial direction-flow through the corresponding turbine housing and there ⁇ by the rotor and the rotor drive may be made of one stage or, preferably, consist of several stages, wherein in each case a step (a) a series of Having on the rotor or on the runner ⁇ introduced rotating blades and (b) has a number of attached to the housing stationary vanes.
  • the rotor of the axial turbine is coupled to an axial shaft, which is mounted on the side of the central transmission and which is arranged bearing-free in a housing of the axial turbine.
  • a storage is thus pre ⁇ see only at the portion of the axial shaft, which portion is outside the axial turbine and is assigned to the central transmission.
  • the position ⁇ tion can be realized on the central transmission by means of one or more axially staggered bearings.
  • the rotor of the axial turbine several turbine stages wherein each turbine stage disposed around the axial shaft around (a) egg ⁇ ne number of the rotor-mounted rotatable blades and (b) having a series of attached to the housing stationary vanes.
  • the blades of one row are brought arrival at a blade carrier and the plurality of blade supports are fixed on the axial shaft means of egg ⁇ ner pulling device.
  • the pulling device can be for example a so-called tie rod, which comprises a thread formed on the axial shaft and a nut engaging in the thread.
  • the turbine system further comprises (a) a fourth turbine mechanically coupled to the central transmission, (b) a third fluid conduit for passing the working fluid from the third turbine to the fourth turbine, and (c) a third connection device, which is assigned to the third fluid line and which is set up such that a third partial mass flow of the working fluid can be taken from the third fluid line or fed to the third fluid line. bar is.
  • the mechanical connection can drive wel ⁇ cher the working machine, now a total of at least four turbines is driven.
  • the efficiency of the described turbine system can be further improved.
  • a fluid line is preferably provided between each of two turbines which are adjacent from the point of view of the flow direction of the working medium, which is provided with a connection device, so that a corresponding partial mass flow of the working fluid can be taken from the relevant fluid line or fed to the relevant fluid line.
  • the respective connection device is associated with a control device, so that the strength of the respective partial mass flow can be accurately adjusted and thus an optimal operation can be ensured with respect to the efficiency of the door ⁇ bin system.
  • a turbine installation which comprises (a) a turbine system of the type described above, and (b) a Hämaschi ⁇ ne, which is coupled with the mechanical connection of the central overall drive.
  • the turbine system described is the realization zugrun ⁇ de that the above-mentioned turbine system can be mechanically coupled to a work machine, so that contained in the working fluid energy can be removed from the working fluid and transferred to me ⁇ chanical way to the machine.
  • a rotor of the working machine can be mechanically coupled by using a coupling or a flange with the mechanical connection of the central transmission who ⁇ .
  • the work machine may particularly be an electric genes ⁇ rator, which can be used to generate electricity.
  • the work machine may also be a mechanical machine which utilizes the mechanical energy supplied to it by the described turbine system suitably for performing mechanical activities.
  • the work machine can be, for example, a pump, a compressor , a fan and / or a press.
  • a method for operating a work machine comprises (a) providing an energy-containing working fluid, (b) supplying the working fluid to a turbine system of the above-be ⁇ signed type, said turbine system comprises at least removes a portion of the energy of the working fluid and at least egg ⁇ NEN part the extracted energy into mechanical work umwan ⁇ punched, and (c) operating the working machine with the vice ⁇ converted mechanical work.
  • the method described is based on the recognition that when using the above mentioned turbine system the working ⁇ machine can be operated in an efficient manner.
  • the energy is removed from the working fluid and converted into mechanical energy, which is then transferred by means of a purely mechanical coupling to the working machine.
  • the term "energy-containing working fluid” can be understood in particular to mean that the working fluid has been thermodynamically charged with energy, so that the working fluid has in particular a high temperature and / or a high pressure.
  • the hot and / or standing under a high pressure steam contains additionally an evaporation energy which in a condensing the vapor leads to a release of condensation energy, which can then also be converted into mechanical work.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a turbine system with four steam turbines, which drive a work machine via a common transmission.
  • Figure 2 shows a perspective view of a
  • Turbine plant with three steam turbines, which jointly ⁇ drive an electric generator.
  • Figure 3 shows a turbine system having a radial turbine and two axial flow turbines, which can drive a working machine via a common Ge ⁇ gear.
  • 4 shows a turbine system having a radial turbine and three axial flow turbines, which can drive a working machine via a common Ge ⁇ gear.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a turbine installation 100 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the turbine system 100 comprises a turbine system 110, wel ⁇ ches driving a working machine 120th
  • the working machine 120 may in particular be an electrical generator, which can be used to generate electricity.
  • the work machine 120 can also be any mechanical machine which can supply the mechanical energy that is supplied to it from the turbine system 110 in a suitable manner for performing mechanical activities, for example for pumping, for compacting, and / or for pressing operations, uses.
  • the turbine system 110 includes four steam turbines, a first steam turbine 151, a second steam turbine 152, a third steam turbine 153, and a fourth steam turbine 154. As can be seen from FIG.
  • these steam turbines 151, 152, 153 and 154 are connected in series with respect to the general flow direction of a working fluid.
  • the working fluid which according to the exemplary embodiment illustrated here is water vapor, flows into a fluid inlet 116, greatly overheated by a steam generator.
  • An appropriate one Inlet mass flow 116a of water vapor then flows into the first steam turbine 151, in which the water steam performs mechanical work in a known manner, thereby driving a rotor of the first steam turbine 151, not shown in FIG.
  • the first fluid conduit 161 has a first terminal ⁇ device 171, which is in accordance with the embodiment shown here, a simple branch beispielswei ⁇ a so-called se. Tee.
  • a first partial mass flow can be decoupled 171a of working fluid from the overall entire mass flow to a first fluid port 176 or an additional mass flow of working fluid can be fed from the first fluid port 176 in the first Fluidlei ⁇ tung.
  • the energy which is supplied to the second steam turbine 152 can be adjusted, and thus the power of the entire turbine system 110 can be adjusted.
  • the first connection device 171 or the first fluid line 161 is assigned a first regulation device 171b, which has a pressure sensor, not shown, with which the pressure of the working fluid in the fluid line 161 is detected.
  • a ver ⁇ adjustable valve also not shown, based on the detected pressure of the (part) mass flow can be adjusted so that the pressure remains at least approximately constant even under varying operating conditions.
  • the steam turbine 152 can be operated in an optimum operating mode. To this way, a high degree of efficiency for the steam turbine 152 and, of course, also for the entire turbine system 110 can be guaranteed.
  • Steam turbine 154 via a third fluid line 163 connected to each other. Furthermore, in the third fluid line, there is a third connection device 173, via which a third partial mass flow 173a of steam can be branched off from the third fluid line 163 and fed to a third fluid connection 178 and / or via which additional water vapor from the third fluid connection 178 into the third fluid line 163 can be fed.
  • a third Rege ⁇ averaging means 173b ensures that the appropriate removal or supply follows ER of water vapor in a controlled manner.
  • the pressure sensor of the respective control device 171b, 172b, 173b with respect to the branch of the respective connection device 171, 172, 173 is preferably arranged upstream in the respective fluid line 161, 162, 163.
  • the adjustable valve of the respective control device 171b, 172b, 173b with respect to the branch of the respective connection device 171, 172, 173 preferably downstream in the respective fluid line 161, 162, 163 is arranged.
  • the ver ⁇ adjustable valve can be arranged immediately before or on the housing of the next turbine.
  • an outlet mass flow 118a of steam emerges, which has flowed through all the turbines 151, 152, 153 and 154 or which was fed into the turbine system 110 via one of the fluid connections 176, 177 or 178.
  • the exiting steam can then (not shown) in a known manner be ⁇ a heater to be supplied.
  • This heater may in turn be coupled to the fluid inlet 116, so that a closed circuit of working fluid or water vapor can be realized.
  • the rotors of the steam turbines 151 and 152 are connected to one another via a common shaft 131a.
  • a transmission could also be connected between the two rotors of the steam turbines 151 and 152 so that a first rotational frequency of the rotor of the first steam turbine 151 and a second rotational frequency of the rotor of the second steam turbine 152 are in a fixed relationship to one another ,
  • the two rotors of the steam turbine 153 and 154 are connected to each other via a common shaft 132a or possibly mechanically coupled to each other via an additional gear ⁇ be.
  • a central component of the turbine system 110 described here is a central gear 130, which has a toothed wheel 134 and two pinions.
  • a first pinion 131 of the two pinions is attached to the shaft 131a.
  • the second pinion 132 is attached to the shaft 132a. Both pinions 131 and 132 are engaged with the gear 134.
  • the central Ge ⁇ gear 130 further has a central drive shaft 136 which the gear 134 and the drive machine 120 miteinan ⁇ connects.
  • FIG. 2 shows a perspective view of a turbine installation 200 according to a further exemplary embodiment of the invention.
  • the turbine plant 200 has a base plate 202 on which at least the main components of the turbine plant 200 are mounted or mounted.
  • the turbines ⁇ system 200 comprises (a) designed as a radial turbine first steam turbine 251, (b) an axial turbine as having formed ⁇ te second turbine 252 and (c) to a likewise designed as axial-flow turbine 253 third steam turbine 253rd All turbines 251, 252 and 253 or the rotors of the turbines 251, 252 and 253 are coupled with each other ge ⁇ via a central gear 230th On the output side, the central transmission 230 is mechanically coupled via a drive shaft 236 to a working machine 220 designed as an electrical generator.
  • the first steam turbine 251 is supplied with an inlet mass flow 216a of working fluid.
  • the strength of this inlet masses ⁇ stream 216a which is controlled by means of a plurality of control valves 251a, so that substantially determines the performance of the entire turbine system 200.
  • From the first steam turbine 251 escaping working fluid is supplied via a first Fluidlei ⁇ tung 261 of the second steam turbine 252nd
  • From the second steam turbine 252 exiting working fluid is passed through a second fluid line 262 of the third steam turbine 253 ⁇ .
  • a first connection device 271 is located in the first fluid line 261 together with a first regulation device, not shown in FIG such that a first partial mass flow 271a can be decoupled from the first fluid line 261 or, alternatively, a mass flow (not shown) can be fed into the first fluid line 261.
  • a second connection device 272 is located in the second fluid line 262 together with a second control device, not shown in Figure 2, so that a second partial mass flow 272a coupled out of the second fluid line 262 or alternatively, a mass flow, not shown, can be fed into the second fluid line 262.
  • Figure 3 shows a turbine system 310 with a designed as a radial turbine first steam turbine 351, with a designed as axial flow turbine second steam turbine 352 and having formed also as axial flow turbine third steam turbine 353.
  • the first steam turbine 351 and the second vapor ⁇ turbine 352 are not shown, via a first Fluidlei ⁇ tung interconnected.
  • the first steam turbine 351 has a first housing 351a
  • the second steam turbine 352 has a second housing 352a
  • the third steam turbine 353 has a third housing 353a.
  • the first fluid line is also assigned a first connection device (also not shown) as well as a first control device (also not shown).
  • the second steam turbine ⁇ 352 and the third steam turbine 353 are connected to each other via a second fluid line, not shown, which are associated with a likewise not shown second terminal ⁇ device and also not shown second control device.
  • the three steam turbine ⁇ are mechanically coupled to each other.
  • the transmission 330 are both a first pinion 331 and a second pinion 332 in mesh with a gear 334.
  • ⁇ a ratio between (a) a first number of teeth of the first pinion 331, which is arranged on a shaft 331a, which the Rotors of the two steam turbines
  • the first pinion 331 has more teeth than the second pinion 332 so that the rotational frequency of the rotors of the first and second steam turbine 351 and 352 is greater than the rotati ⁇ Onsfrequenz the rotor of the third steam turbine 353.
  • the gear 334 is ⁇ arranged on a central drive shaft 336 to which is mounted in a housing of the central gear 330 by means of two bearings 338th In Figure 3 at the right end of the central drive shaft 336 designed as a mechanical connection flange 337 is provided, on which a drive machine not shown in Figure 3 can be closed at ⁇ .
  • 352 and 353 each have a multi-stage configuration of ⁇ each case a vane and possibly a rotor blade on.
  • a rotor blade 381a and a stator blade 381b a first stage 381 of the more-stage axial turbine 353 is ordered to ⁇ .
  • a rotor blade 382a and a vane 382b are a second stage 382 of the multi-stage axial turbine
  • a rotor blade 383a and a vane 383b are associated with a third stage 383 of the multi-stage axial turbine 353.
  • the rotor blades 381a, 382a and 383a are disposed on an axial ⁇ shaft 385 of the steam turbine 353rd
  • the axial shaft 385 is rotatably connected to the shaft 332 a.
  • Benach ⁇ rotor blades that the rotor blades 381a and 382a and the rotor blades 382a and 383a, by means of an axial end-teeth rotationally fixed to each other on the axial shaft 385 arranged.
  • a tie rod connection which is realized by means of a nut 386 in conjunction with an external thread formed on the axial shaft 385, ensures a firm locking of the rotor blades 381a, 381b and 381c on the axial shaft 385.
  • the rotors of the two axial turbines 352 and 353 are cantilevered. This signified ⁇ tet that the rotors of the two turbines 352 and 353 not only in the respective turbine housing 352a and 353a son ⁇ countries are mounted on the housing of the central gear 330 (by means of the shaft 332a).
  • a bearing 332b is respectively provided on the left and right of the housing of the central transmission 330. No bearing elements are present in the turbine housing 352a or 353a corresponding to a "flying arrangement" of the respective rotor.
  • the bearings 332b are radial bearings.
  • An axial bearing is here realized by means of the second pinion 332, which, as can be seen in FIG. 3, has a shoulder on the left and right, wherein the two
  • FIG. 4 shows a turbine system 410, which differs from the turbine system 310 shown in FIG. 3 only in that a fourth axial-turbine steam turbine 454, which has a housing 454a, is additionally arranged on the shaft 332a.
  • the central drive shaft 336 is driven by IMP EXP ⁇ including four steam turbine in this embodiment
  • the fourth steam turbine 454 by means of a circuit not shown the third fluid to the third steam turbine is connected downstream of the 353rd
  • the third fluid line in a corresponding manner a second connection means, not shown, and a second control means also not shown for re ⁇ gelung the amount of the removed from the third fluid line working fluid and / or for controlling the amount of additionally fed into the third fluid line working fluid assigned.

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Abstract

Ein Turbinensystem (110) weist auf (A) eine erste Turbine (151), (B) eine zweite Turbine (152), (C) eine dritte Turbine (153), (D) ein zentrales Getriebe (130), eingangsseitig mit den drei Turbinen mechanisch gekoppelt und ausgangsseitig aufweisend einen mechanische Anschluss zum Anschließen einer Arbeitsmaschine (120), (E) eine erste Fluidleitung (161) zum Weiterleiten eines Arbeitsfluids von der ersten Turbine (151) zu der zweiten Turbine (152), (F) eine zweite Fluidleitung (162) zum Weiterleiten des Arbeitsfluids von der zweiten Turbine (152) zu der dritten Turbine (153), (G) eine erste Anschlusseinrichtung (171), derart eingerichtet, dass ein erster Teilmassenstrom (171a) des Arbeitsfluids von der ersten Fluidleitung (161) entnehmbar oder der ersten Fluidleitung (161) zuführbar ist, und (H) eine zweite Anschlusseinrichtung (172), derart eingerichtet ist, dass ein zweiter Teilmassenstrom (172a) des Arbeitsfluids von der zweiten Fluidleitung (162) entnehmbar oder der zweiten Fluidleitung (162) zuführbar ist. Es wird ferner eine Turbinenanlage (100) mit einem derartigen Turbinensystem (110) sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Arbeitsmaschine (120) beschrieben.

Description

Beschreibung
TURBINENSYSTEM MIT DREI AN EINEM ZENTRALEN GETRIEBE ANGEKOPPELTEN TURBINEN UND VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINER ARBEITSMASCHINE
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Turbinentechnik. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Turbinensystem, welches mehrere Turbinen aufweist, die in Bezug zu der Strömung eines Arbeitsfluids hintereinan¬ der geschaltet sind und die gemeinsam eine Arbeitsmaschine antreiben können. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Turbinenanlage mit einem derartigen Turbinensystem und einer mechanisch an das Turbinensystem angekoppelten Arbeitsmaschine. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Arbeitsmaschine mittels eines derartigen Turbinensystems.
Zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie werden häufig Turbinen und insbesondere Dampfturbinen einge¬ setzt. Beim Betrieb bekannter Turbinen- oder Dampf- turbinensystemen wird das Arbeitsfluid bzw. der Dampf entlang der Strömungsrichtung typischerweise über eine Turbine mit einer Turbinenwelle entspannt. Die Turbine kann dabei eine sog. Mehrstufenturbine sein, welche mehrere gleiche oder auch verschiedene Anordnungen aus jeweils einer Rotor-Schaufel¬ reihe (Laufschaufelreihe) und einer Stator-Schaufelreihe (Leitschaufelreihe) aufweist. Die Turbinenwelle treibt entwe¬ der direkt oder indirekt über ein separat stehendes Getriebe eine Arbeitsmaschine an.
Alternativ ist auch ein Turbinensystem bekannt, bei dem zwei getrennte Turbinen, welche jeweils ein Turbinengehäuse auf- weisen, hintereinander von dem Arbeitsfluid durchströmt wer- den. In diesem Fall sind die beiden Turbinen auf einer oder auf zwei getrennten Getriebewellen angeordnet. Über die Ge¬ triebewelle treiben die beiden Turbinen die Arbeitsmaschine an. Aufgrund der üblicherweise geringen Anzahl der Rotor- Schaufelreihen in beiden Turbinen, die typischerweise für ein derartiges Turbinensystem verwendet werden, ist der thermody- namische Wirkungsgrad eines derartigen Turbinensystems ver¬ gleichsweise gering.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfach zu realisierendes Turbinensystem, eine Turbinenanlage und ein Verfahren zum Betreiben einer Arbeitsmaschine mit einem guten thermodynamischen Wirkungsgrad zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhän¬ gigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen, weite¬ re Merkmale und Details der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeich- nungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammen¬ hang mit dem Turbinensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der Turbinenanlage sowie dem Verfahren zum Betreiben einer Arbeitsmaschine. Gleiches gilt umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen werden kann .
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Turbinensys¬ tem beschrieben, welches aufweist (a) eine erste Turbine, (b) eine zweite Turbine, (c) eine dritte Turbine, (d) ein zentra¬ les Getriebe, welches eingangsseitig mit den drei Turbinen mechanisch gekoppelt ist und welches ausgangsseitig einen me¬ chanische Anschluss aufweist, an welchen eine mechanische Energie aufnehmende Arbeitsmaschine anschließbar ist, (e) ei- ne erste Fluidleitung zum Weiterleiten eines Arbeitsfluids von der ersten Turbine zu der zweiten Turbine, (f) eine zwei¬ te Fluidleitung zum Weiterleiten des Arbeitsfluids von der zweiten Turbine zu der dritten Turbine, (g) eine erste An¬ schlusseinrichtung, welche der ersten Fluidleitung zugeordnet ist und welche derart eingerichtet ist, dass ein erster Teil¬ massenstrom des Arbeitsfluids von der ersten Fluidleitung entnehmbar oder der ersten Fluidleitung zuführbar ist, und (h) eine zweite Anschlusseinrichtung, welche der zweiten Flu- idleitung zugeordnet ist und welche derart eingerichtet ist, dass ein zweiter Teilmassenstrom des Arbeitsfluids von der zweiten Fluidleitung entnehmbar oder der zweiten Fluidleitung zuführbar ist.
Dem beschriebenen Turbinensystem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem Turbinensystem, welches zumindest drei Turbinen aufweist, nicht alle Turbinen auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sein müssen sondern mechanisch an ein zent- rales Getriebe angekoppelt werden können. Die Turbinen des beschriebenen Turbinensystems sind hinsichtlich des Strö¬ mungspfades des Arbeitsfluids hintereinander geschaltet, wo¬ bei die zweite Turbine der ersten Turbine nachgeschaltet und die dritte Turbine der zweiten Turbine nachgeschaltet ist. Dabei ist das Arbeitsfluid, welches in der ersten Turbine Ar¬ beit verrichtet hat und danach die erste Turbine verlässt, mittels der ersten Fluidleitung zu der zweiten Turbine transferierbar. In entsprechender Weise ist das Arbeitsfluid, wel¬ ches in der zweiten Turbine Arbeit verrichtet hat und danach die zweite Turbine verlässt, mittels der zweiten Fluidleitung zu der dritten Turbine transferierbar.
Das beschriebene Turbinensystem mit einem zentralen Getriebe bietet im Vergleich zu einem herkömmlichen Turbinensystem, bei dem alle Turbinen mit einer gemeinsamen relativ langen
Welle gekoppelt sind, die Möglichkeit, die einzelnen Turbinen nicht mehr entlang einer länglichen Reihe sondern flexibel in einer räumlich kompakten Bauweise anzuordnen. Damit kann das beschriebene Turbinensystem innerhalb eines vergleichsweise geringen Bauraums realisiert werden. Aufgrund der Möglichkeit die räumliche Anordnung der einzelnen Turbinen flexibel zu wählen, kann das beschriebene Turbinensystem auf relativ einfache Weise an eine von einem Kunden vorgegebene Spezifikati¬ on angepasst werden. Außerdem kann das beschriebene Turbinen- System bei Bedarf relativ einfach umgebaut und beispielsweise bei geänderten Betriebsparametern entsprechend angepasst werden. Bei einer Revision, einer Wartung oder einer Instandsetzung kann außerdem eine besonders einfache Zugänglichkeit der einzelnen Komponenten des beschriebenen Turbinensystems gewährleistet werden. Ferner kann das beschriebene Turbinensys¬ tem vergleichsweise kostengünstig realisiert werden. Ein weiterer Vorteil des in diesem Dokument beschriebenen
Turbinensystems besteht darin, dass im Vergleich zu bekannten Turbinensystemen, bei denen die einzelnen Turbinen mit einer gemeinsamen relativ langen Welle gekoppelt sind, mehrere kurze Einzelturbinenwellen verwendet werden. Dadurch kann auf vorteilhafte Weise eine besonders hohe sog. Schnellstart¬ fähigkeit erreicht werden.
Bei dem beschriebenen Turbinensystem sind erfindungsgemäß jeweils zwei aufeinanderfolgende Turbinen mittels einer Fluid- leitung miteinander gekoppelt. Da die Turbinen aufgrund der Ankopplung an das zentrale Getriebe nicht mehr entlang einer Reihe angeordnet sind, weisen die Fluidleitungen jeweils ei¬ nen Verlauf auf, welcher ein einfaches Zuführen und/oder Abführen von Arbeitsfluid erlaubt. Dies bedeutet, dass die be- schriebenen Anschlusseinrichtungen, welche jeweils mittels einer einfachen Verzweigung wie beispielsweise eines T-Stücks realisiert sein können, in der entsprechenden Fluidleitung eingebaut werden können, ohne dass Zugänglichkeits- oder Platzprobleme den Einbau der entsprechenden Anschluss- einrichtung behindern würden. Somit können auf einfache Weise Teilmassenströme des Arbeitsfluids der betreffenden Fluidlei¬ tung von außen zugeführt oder von der betreffenden Fluidleitung nach außen abgeführt werden. Die beschriebenen Turbinen können insbesondere Turbinen sein, welche jeweils lediglich aufgrund einer Expansion des Ar- beitsfluids Energie aus dem Arbeitsfluid entnehmen und welche neben einer Expansionsstufe keine Verdichterstufe aufweisen. Das Arbeitsfluid kann jedes beliebiges unter einem Druck ste¬ hende Fluid sein, welches in der Lage ist, bei einem Durch¬ gang durch die jeweilige Turbine mechanische Arbeit zu ver¬ richten. Das Arbeitsfluid kann insbesondere Dampf (z.B. Was- serdampf) sein, welcher von einem Wasserdampfgenerator erzeugt wurde. Dabei kann der Wasserdampfgenerator ein Kraftwerk sein, welches den Wasserdampf in erster Linie zum Zwecke der Nutzung durch das beschriebene Turbinensystem erzeugt. Der Wasserdampfgenerator kann jedoch auch eine Anlage sein, welche den Wasserdampf in erster Linie für andere Prozesse (z.B. zum Zwecke einer Reinigung und/oder einer Sterilisation) erzeugt und welche den Wasserdampf lediglich dann dem beschriebenen Turbinensystem zuführt, wenn der Wasserdampf ge- rade nicht für diese Prozesse verwendet wird.
Das Arbeitsfluid kann auch ein einfaches Gas sein, welches vorher komprimiert wurde, um Energie zwischen zu speichern. Dabei kann die Gaskompression beispielsweise von einem mit elektrischer Energie betriebenen Kompressor in einem Zeitraum durchgeführt werden, in dem beispielsweise von regenerativen Energiequellen eine größere Menge an elektrischer Energie bereitgestellt wird als aktuell verbraucht wird. Die beschriebenen Turbinen können beliebige Arten von Turbinen sein, bei denen das Arbeitsfluid einen Rotor antreibt. Selbstverständlich hängt in bekannter Weise die konstruktive Ausgestaltung der Turbinen von dem verwendeten Arbeitsfluid ab. Im Falle der Verwendung von Wasserdampf als Arbeitsfluid handelt es sich um sog. Dampfturbinen. Falls es sich bei dem Arbeitsmedium um ein unter Druck stehendes Gas handelt, dann spricht man in der Regel von Gasentspannungsturbinen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Tur- binensystem ferner auf (a) eine erste Regelungseinrichtung, welche der ersten Anschlusseinrichtung zugeordnet ist, zum Einstellen der Stärke des ersten Teilmassenstroms und/oder (b) eine zweite Regelungseinrichtung, welche der zweiten Anschlusseinrichtung zugeordnet ist, zum Einstellen der Stärke des zweiten Teilmassenstroms.
Die beschriebenen Regelungseinrichtungen können jeweils ein Stellglied aufweisen, welches beispielsweise aufgrund einer Verengung oder Erweiterung seines Querschnitts die Stärke oder die Höhe des jeweiligen (Teil) Massenstrom bestimmen kann, welcher über die betreffende Anschlusseinrichtung von außen in die betreffende Fluidleitung eingespeist oder von der betreffenden Fluidleitung nach außen abgegeben wird. Ferner können die beschriebenen Regelungseinrichtungen jeweils einen geeigneten Sensor aufweisen, welcher eine Zustandsgröße wie beispielsweise den Druck des Arbeitsfluids in der betref¬ fenden Fluidleitung erfasst, wobei das Stellglied, beispiels- weise ein verstellbares Ventil oder eine verstellbare Dros¬ sel, basierend auf dem Erfassungswert dieser Zustandsgröße den betreffenden (Teil) Massenstrom so einstellen kann, dass diese Zustandsgröße auch bei veränderlichen Betriebsbedingungen zumindest annähernd konstant bleibt. Somit können durch eine geschickte Regelung der (Teil) Massenströme des Ar- beitsfluids für jede Turbine Bedingungen geschaffen bzw. beibehalten werden, welche einen hohen Wirkungsgrad für jede einzelne Turbine und damit natürlich auch für das gesamte Turbinensystem gewährleisten.
Es wird darauf hingewiesen, dass ein Auskoppeln bzw. ein Entnehmen eines Teilmassenstroms nicht zwingend bedeutet, dass dieser Teilmassenstrom für eine Energieerzeugung verloren geht. Dieser Teilmassenstrom kann nämlich beispielsweise an anderer Stelle über eine andere Anschlusseinrichtung wieder dem beschriebenen Turbinensystem zugeführt werden. In entsprechender Weise kann ein von außen in das Turbinensystem eingespeister (Teil) Massenstrom auch an anderer Stelle mittels einer anderen Anschlusseinrichtung aus dem Hauptmassen- ström des beschriebenen Turbinensystems entnommen worden sein. Auch die Verwendung von zumindest einem Zwischenspeicher zum temporären Speichern von Arbeitsfluid ist in diesem Zusammenhang möglich. Anschaulich ausgedrückt bieten die beiden Regelungs¬ einrichtungen in Verbindung mit den jeweils zugehörigen Anschlusseinrichtungen die Möglichkeit, genau definierte Zwi- schendruckstufen zu realisieren, von denen das Arbeitsfluid auf einfache und kontrollierte Weise entnommen und/oder denen das Arbeitsfluid auf einfache und kontrollierte Weise zuge¬ führt werden kann. Dadurch wird die Flexibilität des gesamten Turbinensystems insbesondere bei vorhandenen Lastwechseln er- heblich erhöht.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die erste Turbine und die zweite Turbine über eine gemeinsame Welle mit dem zentralen Getriebe gekoppelt, wobei insbesonde- re eine der beiden Turbinen an einer ersten Seite des zentralen Getriebes und die andere der beiden Turbinen an einer zweiten Seite des zentralen Getriebes angeordnet ist. Dabei ist die erste Seite gegenüberliegend zu der zweiten Seite. Dies hat den Vorteil, dass die beiden genannten Turbinen mit- tels eines gemeinsamen Kopplungsgliedes und insbesondere mit¬ tels eines gemeinsamen Ritzels mit dem zentralen Getriebe me¬ chanisch gekoppelt sind, wobei das gemeinsame Kopplungsglied an der gemeinsamen Welle angebracht ist. Dadurch sind getrie- beseitig lediglich zwei Kopplungsglieder erforderlich, so dass die insgesamt zumindest drei Turbinen mit dem zentralen Getriebe gekoppelt sein können.
Die gemeinsame Welle kann eine einstückige oder eine mehr¬ stückige Welle sein. Im Falle einer mehrstückigen Welle soll- ten die mehreren Stücke der gemeinsamen Welle jedoch so fest miteinander verbunden sein, dass die Rotoren der beiden Turbinen drehfest miteinander gekoppelt sind.
Die Rotoren der beiden Turbinen können "fliegend", d.h. ohne eine turbinenseitige Lagerung in dem jeweiligen Turbinenge¬ häuse angeordnet sein. Dabei befindet sich der Rotor bzw. die gesamte Turbine außerhalb der Lagerstellen der gemeinsamen Welle. Dies hat den Vorteil, dass lediglich in oder an dem zentralen Getriebe eine geeignete Lagerung der gemeinsamen Welle vorhanden sein muss. Eine geeignete Lagerung kann dabei beispielsweise mittels zweier Lager realisiert werden, wobei eines der beiden Lager an der ersten Seite und das andere der beiden Lager an der gegenüberliegenden zweiten Seite des zentralen Getriebes angeordnet ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die erste Turbine und die dritte Turbine derart mit dem zent¬ ralen Getriebe gekoppelt, dass die erste Turbine mit einer ersten Rotationsfrequenz und die dritte Turbine mit einer zweiten Rotationsfrequenz betreibbar ist, wobei die erste Rotationsfrequenz unterschiedlich ist zu der zweiten Rotations- frequenz. Dabei kann durch die Wahl von jeweils geeigneten Übersetzungsverhältnissen bei der Kopplung zwischen der betreffenden Turbine und dem zentralen Getriebe ein bestimmtes Verhältnis zwischen der ersten Rotationsfrequenz und der zweiten Rotationsfrequenz eingestellt werden. Durch eine ge- eignete Wahl des Übersetzungsverhältnisses kann dann jede
Turbine in einem optimalen Drehzahlbereich betrieben werden. Damit kann ein besonders hoher Wirkungsgrad der einzelnen Turbinen und somit auch des gesamten Turbinensystems erreicht werden .
Anschaulich ausgedrückt können die Wellendrehzahlen der ersten Turbine und der zweiten Turbine an die jeweiligen Turbi¬ nen und insbesondere an die den jeweiligen Turbinen zugeord¬ neten Druckniveaus angepasst werden. Dadurch kann auf einfa- che Weise eine Optimierung des beschriebenen Turbinensystems hinsichtlich seiner Effizient bzw. hinsichtlich seines Wirkungsgrades erreicht werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zumindest eine der drei Turbinen eine Radialturbine.
Da eine Radialturbine typischerweise ein im Vergleich zu ei¬ ner Axialturbine kürzere Bauform aufweist, kann das gesamte Turbinensystem damit in einer besonders kompakten Bauform re- alisiert werden.
Von der Mehrzahl der hintereinander geschalteten Turbinen kann insbesondere diejenige Turbine, welcher das (komprimier- te) Arbeitsfluid als erstes zugeführt wird, als Radialturbine ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass eine Radialtur¬ bine dann die erste Regelstufe für das gesamte Turbinensystem darstellt, mittels welcher in kontrollierter Weise der Ge- samtmassenstrom an Arbeitsfluid, welches durch das gesamte
Turbinensystem strömt, eingestellt wird. Zu diesem Zweck kann diese (erste) Radialturbine mit geeigneten Regelventilen aus¬ gestattet sein, mittels welchen in bekannter Weise der Gesamtmassenstrom an Arbeitsfluid eingestellt werden kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zumindest eine der drei Turbinen eine Axialturbine.
Die Axialturbine, bei der das Arbeitsfluid in axialer Rich- tung durch das entsprechende Turbinengehäuse strömt und da¬ durch den Rotor bzw. den Läufer antreibt, kann aus einer Stufe oder bevorzugt aus mehreren Stufen bestehen, wobei jeweils eine Stufe (a) eine Reihe von am Rotor oder am Läufer ange¬ brachten rotierenden Laufschaufeln und (b) eine Reihe von am Gehäuse angebrachten stationären Leitschaufeln aufweist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Rotor der Axialturbine mit einer Axialwelle gekoppelt, welche auf der Seite des zentralen Getriebes gelagert ist und welche in einem Gehäuse der Axialturbine lagerfrei angeordnet ist. Dies bedeutet, dass der Rotor bzw. die Axialwelle der Axialturbine auf einer Seite "fliegend" angeordnet ist. Eine Lagerung ist damit nur an dem Abschnitt der Axialwelle vorge¬ sehen, welcher Abschnitt außerhalb der Axialturbine liegt und dem zentralen Getriebe zugeordnetet ist. Dabei kann die Lage¬ rung an dem zentralen Getriebe mittels einer oder mehreren axial zueinander versetzten Lager realisiert werden.
Anschaulich ausgedrückt bedeutet dies, dass eine mechanische Verbindung zwischen der Axialturbine und dem zentralen Getriebe ohne zwischengeschaltete Lagerstellen erfolgt. Die Axialwelle ist nicht im Turbinengehäuse sondern lediglich im oder an einem Gehäuse des zentralen Getriebes gelagert. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass eine "fliegende" Lagerung im Gehäuse der Turbine u.a. den Vorteil bietet, dass Ausdehnungsänderungen bei schwankenden Tempera- turen, welche insbesondere bei Lastwechseln auftreten, nicht zu Verspannungen der Axialwelle gegenüber Lagerungen im Turbinengehäuse führen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Rotor der Axialturbine mehrere Turbinenstufen auf, wobei jede Turbinenstufe um die Axialwelle herum angeordnet (a) ei¬ ne Reihe von am Rotor angebrachten rotierbaren Laufschaufeln und (b) eine Reihe von am Gehäuse angebrachten stationären Leitschaufeln aufweist. Dies hat den Vorteil, dass im Ver- gleich zu einer Axialturbine mit lediglich einer Turbinenstu¬ fe ein höherer Wirkungsgrad erzielt werden kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Laufschaufeln einer Reihe an einem Laufschaufelträger an- gebracht und die mehreren Laufschaufelträger sind mittels ei¬ ner Zugeinrichtung auf der Axialwelle fixiert.
Die Zugeinrichtung kann beispielsweise ein sog. Zuganker sein, welcher ein an der Axialwelle ausgebildetes Gewinde und eine in das Gewinde eingreifende Mutter umfasst. Dadurch kön¬ nen auf besonders einfache und trotzdem zuverlässige Weise mehrere Laufschaufelträger drehfest auf der Axialwelle fi¬ xiert werden. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Turbinensystem ferner auf (a) eine vierte Turbine, welche mit dem zentralen Getriebe mechanisch gekoppelt ist, (b) eine dritte Fluidleitung zum Weiterleiten des Arbeitsfluids von der dritten Turbine zu der vierten Turbine und (c) eine drit- te Anschlusseinrichtung, welche der dritten Fluidleitung zugeordnet ist und welche derart eingerichtet ist, dass ein dritter Teilmassenstrom des Arbeitsfluids von der dritten Fluidleitung entnehmbar oder der dritten Fluidleitung zuführ- bar ist. Dies bedeutet, dass der mechanische Anschluss, wel¬ cher die Arbeitsmaschine antreiben kann, nunmehr von insgesamt zumindest vier Turbinen angetrieben wird. Dadurch kann die Effizient des beschriebenen Turbinensystems noch weiter verbessert werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass auch mehr als vier Turbinen mit dem zentralen Getriebe direkt oder indirekt gekoppelt sein können. Bevorzugt ist dabei jeweils zwischen zwei aus Sicht der Strömungsrichtung des Arbeitsmediums benachbarten Turbinen eine Fluidleitung vorgesehen, welche mit einer Anschlusseinrichtung versehen ist, so dass ein entsprechender Teilmassenstrom des Arbeitsfluids von der betreffenden Fluidleitung entnehmbar oder der betreffenden Fluidleitung zuführ- bar ist. Weiter bevorzugt ist der betreffenden Anschlusseinrichtung eine Regelungseinrichtung zugeordnet, so dass die Stärke des betreffenden Teilmassenstroms genau eingestellt werden kann und so ein in Bezug auf den Wirkungsgrad des Tur¬ binensystems optimaler Betrieb gewährleistet werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Turbinenanlage beschrieben, welche aufweist (a) ein Turbinensystem des vorstehend beschriebenen Typs und (b) eine Arbeitsmaschi¬ ne, welche mit dem mechanischen Anschluss des zentralen Ge- triebes gekoppelt ist.
Der beschriebenen Turbinenanlage liegt die Erkenntnis zugrun¬ de, dass das o.g. Turbinensystem mit einer Arbeitsmaschine mechanisch gekoppelt werden kann, so dass in dem Arbeitsfluid enthaltene Energie aus dem Arbeitsfluid entnommen und auf me¬ chanische Weise auf die Arbeitsmaschine übertragen werden kann .
Ein Rotor der Arbeitsmaschine kann unter Verwendung einer Kupplung oder eines Flansches drehfest mit dem mechanischen Anschluss des zentralen Getriebes mechanisch gekoppelt wer¬ den . Die Arbeitsmaschine kann insbesondere ein elektrischer Gene¬ rator sein, welcher zur Stromerzeugung eingesetzt werden kann. Die Arbeitsmaschine kann jedoch auch eine mechanische Maschine sein, welche die mechanische Energie, die ihr von dem beschriebenen Turbinensystem zugeführt wird, in geeigneter Weise zur Verrichtung von mechanischen Tätigkeiten nutzt. Die Arbeitsmaschine kann beispielsweise eine Pumpe, ein Ver¬ dichter, ein Ventilator und/oder eine Presse sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Arbeitsmaschine beschrieben. Das beschriebene Verfahren weist auf (a) ein Bereitstellen eines eine Energie enthaltenden Arbeitsfluids , (b) ein Zuführen des Arbeitsfluids zu einem Turbinensystem des vorstehend be¬ schriebenen Typs, wobei das Turbinensystem zumindest einen Teil der Energie des Arbeitsfluids entnimmt und zumindest ei¬ nen Teil der entnommenen Energie in mechanische Arbeit umwan¬ delt, und (c) ein Betreiben der Arbeitsmaschine mit der umge¬ wandelten mechanischen Arbeit.
Auch dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei Verwendung des o.g. Turbinensystems die Arbeits¬ maschine in effizienter Weise betrieben werden kann. Dabei wird entsprechend allgemein anerkannter Grundprinzipien der Thermodynamik die Energie aus dem Arbeitsfluid entnommen und in mechanische Energie umgewandelt, welche dann mittels einer rein mechanischen Kopplung auf die Arbeitsmaschine übertragen wird . Unter dem Ausdruck "Energie enthaltendes Arbeitsfluid" kann in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass das Arbeitsfluid thermodynamisch mit Energie beaufschlagt worden ist, so dass das Arbeitsfluid insbesondere eine hohe Temperatur und/oder einen hohen Druck aufweist. Falls es sich bei dem Arbeitsfluid um einen Dampf, beispielsweise um Was¬ serdampf handelt, dann enthält der heiße und/oder unter einem hohen Druck stehende Wasserdampf zusätzlich noch eine Verdampfungsenergie, welche bei einem Kondensieren des Dampfes zu einem Freisetzen von Kondensationsenergie führt, die dann ebenfalls in mechanische Arbeit umgesetzt werden kann.
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfin- dung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände be¬ schrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmel- dung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine be¬ liebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen.
Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Turbinenanlage mit vier Dampfturbinen, welche über ein gemeinsames Getriebe eine Arbeitsmaschine antreiben. Figur 2 zeigt in einer perspektivischen Darstelllung eine
Turbinenanlage mit drei Dampfturbinen, welche gemein¬ sam einen elektrischen Generator antreiben.
Figur 3 zeigt ein Turbinensystem mit einer Radialturbine und zwei Axialturbinen, welche über ein gemeinsames Ge¬ triebe eine Arbeitsmaschine antreiben können. Figur 4 zeigt ein Turbinensystem mit einer Radialturbine und drei Axialturbinen, welche über ein gemeinsames Ge¬ triebe eine Arbeitsmaschine antreiben können.
Es wird darauf hingewiesen, dass Merkmale bzw. Komponenten von unterschiedlichen Ausführungsformen, die mit den entspre- chenden Merkmalen bzw. Komponenten der Ausführungsform nach gleich oder zumindest funktionsgleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen oder mit anderen Bezugszeichen versehen sind, welche sich lediglich in ihrer ersten Ziffer von dem Bezugs- zeichen eines (funktional) entsprechenden Merkmals oder einer (funktional) entsprechenden Komponente unterscheiden. Zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen werden bereits anhand einer vorher beschriebenen Ausführungsform erläuterte Merkma- le bzw. Komponenten an späterer Stelle nicht mehr im Detail erläutert .
Ferner wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend be¬ schriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Aus- wähl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. Insbesondere ist es möglich, die Merkmale einzelner Aus¬ führungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier explizit dargestellten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind .
Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Turbinenanlage 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Turbinenanlage 100 weist ein Turbinensystem 110 auf, wel¬ ches eine Arbeitsmaschine 120 antreibt. Die Arbeitsmaschine 120 kann insbesondere ein elektrischer Generator sein, welcher zur Stromerzeugung eingesetzt werden kann. Die Arbeitsmaschine 120 kann jedoch auch eine beliebige mechanische Ma- schine sein, welche die mechanische Energie, die ihr von dem Turbinensystem 110 zugeführt wird, in geeigneter Weise zur Verrichtung von mechanischen Tätigkeiten, beispielsweise zum Pumpen, zum Verdichten, und/oder für Pressvorgänge, nutzt. Das Turbinensystem 110 weist vier Dampfturbinen, eine erste Dampfturbine 151, eine zweite Dampfturbine 152, eine dritte Dampfturbine 153 und eine vierte Dampfturbine 154, auf. Wie aus Figur 1 ersichtlich, sind diese Dampfturbinen 151, 152, 153 und 154 in Bezug zu der allgemeinen Strömungsrichtung ei- nes Arbeitsfluids hintereinander geschaltet. Das Arbeitsflu- id, welches gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel Wasserdampf ist, strömt, von einem Wasserdampfgenerator stark überhitzt, in einen Fluideinlass 116 ein. Ein entsprechender Einlassmassenstrom 116a von Wasserdampf strömt dann in die erste Dampfturbine 151, in welcher der Wasserdampf in bekannter Weise mechanische Arbeit verrichtet und dabei einen in Figur 1 nicht dargestellten Rotor der ersten Dampfturbine 151 antreibt.
Der aus der ersten Dampfturbine 151 austretende Wasserdampf, welcher noch eine beträchtliche Menge an Energie enthält, die von der vergleichsweise kurzen ersten Dampfturbine 151 nicht in mechanische Arbeit umgewandelt wurde, strömt dann über ei¬ ne erste Fluidleitung 161 in die zweite Dampfturbine 152, in welcher ebenfalls in dem Wasserdampf enthaltene Energie in mechanische Arbeit umgewandelt wird. Die erste Fluidleitung 161 weist eine erste Anschluss¬ einrichtung 171 auf, welche gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine einfache Verzweigung ist, beispielswei¬ se ein sog. T-Stück. Über die Anschlusseinrichtung 171 kann ein erster Teilmassenstrom 171a an Arbeitsfluid aus dem ge- samten Massenstrom zu einen ersten Fluidanschluss 176 ausgekoppelt oder ein zusätzlicher Massenstrom an Arbeitsfluid kann von dem ersten Fluidanschluss 176 in die erste Fluidlei¬ tung eingespeist werden. Auf diese Weise kann die Energie, welche der zweiten Dampfturbine 152 zugeführt wird, einge- stellt und damit die Leistung des gesamten Turbinensystems 110 angepasst werden.
Der ersten Anschlusseinrichtung 171 bzw. der ersten Fluidleitung 161 ist eine erste Regelungseinrichtung 171b zugeordnet, welche einen nicht dargestellten Drucksensor aufweist, mit dem der Druck des Arbeitsfluids in der Fluidleitung 161 er- fasst wird. Mittels eines ebenfalls nicht dargestellten ver¬ stellbaren Ventils kann basierend auf dem erfassten Druck der (Teil ) Massenstrom so eingestellt werden, dass der Druck auch bei veränderlichen Betriebsbedingungen zumindest annähernd konstant bleibt. Somit kann durch eine geschickte Regelung der (Teil) Massenströme des Arbeitsfluids die Dampfturbine 152 in einem optimalen Betriebsmodus betrieben werden. Auf diese Weise kann ein hoher Wirkungsgrad für die Dampfturbine 152 und damit natürlich auch für das gesamte Turbinensystem 110 gewährleist werden. Der aus der zweiten Dampfturbine 152 austretende Wasserdampf, welcher immer noch eine beträchtliche Menge an Energie ent¬ hält, die bisher noch nicht genutzt wurde, strömt dann über eine zweite Fluidleitung 162 in die dritte Dampfturbine 153. Genauso wie bei der ersten Fluidleitung 161 ist auch in der zweiten Fluidleitung 162 eine (zweite) als T-Stück ausgebildete Anschlusseinrichtung 172 sowie eine (zweite) Regelungs¬ einrichtung 172b angeordnet, so dass ebenfalls in kontrol¬ lierter Weise ein zweiter Teilmassenstrom 172 zu einem zweiten Fluidanschluss 177 transferiert oder von dem zweiten Flu- idanschluss 177 in die zweite Fluidleitung 162 eingespeist werden kann.
In entsprechender Weise sind die dritte Dampfturbine 153 und die der dritten Dampfturbine 153 nachgeschaltete vierte
Dampfturbine 154 über eine dritte Fluidleitung 163 miteinander verbunden. Ferner befindet sich in der dritten Fluidleitung eine dritte Anschlusseinrichtung 173, über welche ein dritter Teilmassenstrom 173a an Wasserdampf von der dritten Fluidleitung 163 abgezweigt und einem dritten Fluidanschluss 178 zugeführt werden kann und/oder über welche zusätzlicher Wasserdampf von dem dritten Fluidanschluss 178 in die dritte Fluidleitung 163 eingespeist werden kann. Eine dritte Rege¬ lungseinrichtung 173b sorgt dafür, dass die entsprechende Entnahme oder Zufuhr an Wasserdampf in geregelter Weise er- folgt.
Es wird darauf hingewiesen, dass der Drucksensor der jeweiligen Regelungseinrichtung 171b, 172b, 173b in Bezug zu der Verzweigung der jeweiligen Anschlusseinrichtung 171, 172, 173 bevorzugt stromaufwärts in der jeweiligen Fluidleitung 161, 162, 163 angeordnet ist. Ferner ist das verstellbare Ventil der jeweiligen Regelungseinrichtung 171b, 172b, 173b in Bezug zu der Verzweigung der jeweiligen Anschlusseinrichtung 171, 172, 173 bevorzugt stromabwärts in der jeweiligen Fluidlei- tung 161, 162, 163 angeordnet ist. Insbesondere kann das ver¬ stellbare Ventil unmittelbar vor oder an dem Gehäuse der nächsten Turbine angeordnet sein.
An einem Fluidauslass 118 tritt ein Auslassmassenstrom 118a an Wasserdampf aus, welcher sämtliche Turbinen 151, 152, 153 und 154 durströmt hat oder welcher über einen der Flui- danschlüsse 176, 177 oder 178 in das Turbinensystem 110 ein- gespeist wurde. Der austretende Wasserdampf kann dann in be¬ kannter Weise einem Erhitzer (nicht dargestellt) zugeführt werden. Dieser Erhitzer kann wiederum mit dem Fluideinlass 116 gekoppelt sein, so dass ein geschlossener Kreislauf an Arbeitsfluid bzw. Wasserdampf realisiert werden kann.
Wie aus Figur 1 ersichtlich, sind die Rotoren der Dampfturbinen 151 und 152 über eine gemeinsame Welle 131a miteinander verbunden. Dies bedeutet, dass die Rotationsfrequenz der Dampfturbinen 151 und 152 gleich ist. Alternativ könnte auch ein Getriebe (nicht dargestellt) zwischen den beiden Rotoren der Dampfturbinen 151 und 152 geschaltet sein, so dass eine erste Rotationsfrequenz des Rotors der ersten Dampfturbine 151 und eine zweite Rotationsfrequenz des Rotors der zweiten Dampfturbine 152 in einem festen Verhältnis zueinander ste- hen. In entsprechender Weise sind die beiden Rotoren der Dampfturbinen 153 und 154 über eine gemeinsame Welle 132a miteinander verbunden oder ggf. über ein zusätzliches Getrie¬ be mechanisch miteinander gekoppelt. Zentraler Bestandteil des hier beschriebenen Turbinensystems 110 ist ein zentrales Getriebe 130, welches ein Zahnrad 134 und zwei Ritzel aufweist. Ein erstes Ritzel 131 der beiden Ritzel ist an der Welle 131a angebracht. Das zweite Ritzel 132 ist an der Welle 132a angebracht. Beide Ritzel 131 und 132 stehen im Eingriff mit dem Zahnrad 134. Das zentrale Ge¬ triebe 130 weist ferner eine zentrale Antriebswelle 136 auf, welche das Zahnrad 134 und die Antriebsmaschine 120 miteinan¬ der verbindet. Figur 2 zeigt in einer perspektivischen Darstelllung eine Turbinenanlage 200 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Turbinenanlage 200 weist eine Grundplatte 202 auf, auf welcher zumindest die Hauptkomponenten der Turbinenanlage 200 angebracht oder montiert sind. Die Turbinen¬ anlage 200 weist auf (a) eine als Radialturbine ausgebildete erste Dampfturbine 251, (b) eine als Axialturbine ausgebilde¬ te zweite Turbine 252 und (c) eine ebenfalls als Axialturbine 253 ausgebildete dritte Dampfturbine 253 auf. Alle Turbinen 251, 252 und 253 bzw. die Rotoren dieser Turbinen 251, 252 und 253 sind über ein zentrales Getriebe 230 miteinander ge¬ koppelt. Das zentrale Getriebe 230 ist ausgangsseitig über eine Antriebswelle 236 mit einer als elektrischer Generator ausgebildeten Arbeitsmaschine 220 mechanisch gekoppelt.
Der ersten Dampfturbine 251 wird ein Einlassmassenstrom 216a an Arbeitsfluid zugeführt. Die Stärke dieses Einlassmassen¬ stroms 216a, welcher mittels einer Mehrzahl von Regelventilen 251a geregelt wird, bestimmt damit wesentlich die Leistung der gesamten Turbinenanlage 200. Aus der ersten Dampfturbine 251 austretendes Arbeitsfluid wird über eine erste Fluidlei¬ tung 261 der zweiten Dampfturbine 252 zugeführt. Aus der zweiten Dampfturbine 252 austretendes Arbeitsfluid wird über eine zweite Fluidleitung 262 der dritten Dampfturbine 253 zu¬ geführt .
Um den Massenstrom an Arbeitsfluid zwischen jeweils zwei in Bezug auf die Strömungsrichtung des Arbeitsfluids benachbar- ten Dampfturbinen 251 und 252 oder 252 und 253 zu regeln, befindet sich in der ersten Fluidleitung 261 eine erste Anschlusseinrichtung 271 zusammen mit einer in Figur 2 nicht dargestellten ersten Regelungseinrichtung, so dass ein erster Teilmassenstrom 271a aus der ersten Fluidleitung 261 ausge- koppelt oder alternativ ein nicht dargestellter Massenstrom in die erste Fluidleitung 261 eingespeist werden kann. In entsprechender Weise befindet sich in der zweiten Fluidleitung 262 eine zweite Anschlusseinrichtung 272 zusammen mit einer in Figur 2 nicht dargestellten zweiten Regelungseinrichtung, so dass ein zweiter Teilmassenstrom 272a aus der zweiten Fluidleitung 262 ausgekoppelt oder alternativ ein nicht dargestellter Massenstrom in die zweite Fluidleitung 262 eingespeist werden kann.
Ein Auslassmassenstrom 218a an Arbeitsfluid, welches sämtli¬ che Turbinen 251, 252 und 253 durströmt hat oder welches über eine der Anschlusseinrichtungen 271 oder 272 in die Turbinenanlage 200 eingespeist wurde, wird dann einem Erhitzer (nicht dargestellt) zugeführt. Dieser Erhitzer kann wiederum den Einlassmassenstrom 216a bereitstellen, so dass ein geschlossener Kreislauf an Arbeitsfluid bzw. Wasserdampf realisiert werden kann.
Figur 3 zeigt ein Turbinensystem 310 mit einer als Radialturbine ausgebildeten ersten Dampfturbine 351, mit einer als Axialturbine ausgebildeten zweiten Dampfturbine 352 und mit einer ebenfalls als Axialturbine ausgebildeten dritten Dampfturbine 353. Die erste Dampfturbine 351 und die zweite Dampf¬ turbine 352 sind über eine nicht dargestellte erste Fluidlei¬ tung miteinander verbunden. Die erste Dampfturbine 351 weist ein erstes Gehäuse 351a, die zweite Dampfturbine 352 weist ein zweites Gehäuse 352a und die dritte Dampfturbine 353 weist ein drittes Gehäuse 353a auf.
Wie bei den zuvor dargestellten Ausführungsbeispielen sind der ersten Fluidleitung eine ebenfalls nicht dargestellte erste Anschlusseinrichtung sowie eine ebenfalls nicht darge- stellte erste Regeleinrichtung zugeordnet. Die zweite Dampf¬ turbine 352 und die dritte Dampfturbine 353 sind über eine nicht dargestellte zweite Fluidleitung miteinander verbunden, welcher eine ebenfalls nicht dargestellte zweite Anschluss¬ einrichtung sowie eine ebenfalls nicht dargestellte zweite Regeleinrichtung zugeordnet sind.
Mittels eines zentralen Getriebes 330 sind die drei Dampftur¬ binen miteinander mechanisch gekoppelt. Bei dem Getriebe 330 befinden sich sowohl ein erstes Ritzel 331 als auch ein zweites Ritzel 332 in Eingriff mit einem Zahnrad 334. Dabei be¬ stimmt ein Verhältnis zwischen (a) einer ersten Anzahl an Zähnen des ersten Ritzels 331, welches auf einer Welle 331a angeordnet ist, welche die Rotoren der beiden Dampfturbinen
351 und 352 miteinander verbindet, und (b) einer zweiten Anzahl an Zähnen des zweiten Ritzels 332, welches auf einer Welle 332a des Rotors der dritten Dampfturbine 353 angeordnet ist, das Verhältnis zwischen der Rotationsfrequenz der Roto- ren der ersten und der zweiten Dampfturbine 351 und 352 und der Rotationsfrequenz des Rotors der dritten Dampfturbine 353. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel hat das erste Ritzel 331 mehr Zähne als das zweite Ritzel 332, so dass die Rotationsfrequenz der Rotoren der ersten und der zweiten Dampfturbine 351 und 352 größer ist als die Rotati¬ onsfrequenz des Rotors der dritten Dampfturbine 353.
Das Zahnrad 334 ist auf einer zentralen Antriebswelle 336 an¬ geordnet, welche mittels zweier Lager 338 in einem Gehäuse des zentralen Getriebes 330 gelagert ist. In Figur 3 ist am rechten Ende der zentralen Antriebswelle 336 ein als Flansch ausgebildeter mechanischer Anschluss 337 vorgesehen, an welchen eine in Figur 3 nicht dargestellte Antriebsmaschine an¬ geschlossen werden kann.
Wie aus Figur 3 ersichtlich, weisen die beiden Axialturbinen
352 und 353 jeweils eine mehr-stufige Konfiguration von je¬ weils einer Leitschaufel und ggf. einer Rotorschaufel auf. Dabei ist eine Rotorschaufel 381a und eine Leitschaufel 381b einer ersten Stufe 381 der mehr-stufigen Axialturbine 353 zu¬ geordnet. Eine Rotorschaufel 382a und eine Leitschaufel 382b sind einer zweiten Stufe 382 der mehr-stufigen Axialturbine
353 zugeordnet. Eine Rotorschaufel 383a und eine Leitschaufel 383b sind einer dritten Stufe 383 der mehr-stufigen Axialtur- bine 353 zugeordnet. Die Rotorschaufeln 381a, 382a und 383a sind auf einer Axial¬ welle 385 der Dampfturbine 353 angeordnet. Die Axialwelle 385 ist drehfest mit der Welle 332a verbunden. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind benach¬ barte Rotorschaufeln, d.h. die Rotorschaufeln 381a und 382a sowie die Rotorschaufeln 382a und 383a, mittels einer Axial- Stirn-Verzahnung drehfest zueinander auf der Axialwelle 385 angeordnet. Eine Zugankerverbindung, welche mittels einer Mutter 386 in Verbindung mit einem an der Axialwelle 385 ausgebildeten Außengewinde realisiert ist, sorgt für eine feste Arretierung der Rotorschaufeln 381a, 381b und 381c auf der Axialwelle 385.
An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass aus Gründen der Übersichtlichkeit in Figur 3 die verschiedenen Stufen 381, 382 und 383 und die jeweils zugehörigen Komponenten nur in der Dampfturbine 353 mit Bezugszeichen gekennzeichnet sind .
Wie aus Figur 3 ferner ersichtlich, sind die Rotoren der beiden Axialturbinen 352 und 353 fliegend gelagert. Dies bedeu¬ tet, dass die Rotoren der beiden Dampfturbinen 352 und 353 nicht in dem jeweiligen Turbinengehäuse 352a bzw. 353a son¬ dern lediglich (mittels der Welle 332a) an dem Gehäuse des zentralen Getriebes 330 gelagert sind. Zu diesem Zweck ist links und rechts an dem Gehäuse des zentralen Getriebes 330 jeweils ein Lager 332b vorgesehen. In dem Turbinengehäuse 352a bzw. 353a sind entsprechend einer "fliegenden Anordnung" des jeweiligen Rotors keine Lagerelemente vorhanden.
Es wird darauf hingewiesen, dass gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel die Lager 332b Radiallager sind. Eine axiale Lagerung wird hier mittels des zweiten Ritzels 332 re- alisiert, welches, wie in Figur 3 ersichtlich, links und rechts jeweils eine Schulter aufweist, wobei die beiden
Schultern in axialer Richtung mit dem Zahnrad 334 in Eingriff stehen. Damit wird eine im Betrieb der Dampfturbine 353 er- zeugter Axialschub nach links über die beiden Schultern des Ritzels 332 und das Zahnrad 334 auf das Lager 338 übertragen und von diesem aufgenommen.
Figur 4 zeigt ein Turbinensystem 410, welches sich von dem in Figur 3 dargestellten Turbinensystem 310 lediglich darin unterscheidet, dass an der Welle 332a zusätzlich eine vierte als Axialturbine ausgebildete Dampfturbine 454 angeordnet ist, welche ein Gehäuse 454a aufweist. Damit wird bei diesem Ausführungsbeispiel die zentrale Antriebswelle 336 von insge¬ samt vier Dampfturbinen angetrieben, wobei die vierte Dampfturbine 454 mittels einer nicht dargestellten dritten Fluid- leitung der dritten Dampfturbine 353 nachgeschaltet ist. Da- bei sind der dritten Fluidleitung in entsprechender Weise eine nicht dargestellte zweite Anschlusseinrichtung sowie eine ebenfalls nicht dargestellte zweite Regeleinrichtung zur Re¬ gelung der Menge des aus der dritten Fluidleitung entnommenen Arbeitsfluids und/oder zur Regelung der Menge des in die dritte Fluidleitung zusätzlich eingespeisten Arbeitsfluids zugeordnet .

Claims

Patentansprüche
1. Turbinensystem (110, 310, 410), aufweisend
eine erste Turbine (151, 251, 351),
eine zweite Turbine (152, 252, 352),
eine dritte Turbine (153, 253, 353),
ein zentrales Getriebe (130, 230, 330), welches ein- gangsseitig mit den drei Turbinen (151, 251, 351; 152, 252, 352; 153, 253, 353) mechanisch gekoppelt ist und welches aus- gangsseitig einen mechanische Anschluss (337) aufweist, an welchen eine mechanische Energie aufnehmende Arbeitsmaschine (120, 220) anschließbar ist,
eine erste Fluidleitung (161, 261) zum Weiterleiten eines Arbeitsfluids von der ersten Turbine (151, 251, 351) zu der zweiten Turbine (152, 252, 352),
eine zweite Fluidleitung (162, 262) zum Weiterleiten des Arbeitsfluids von der zweiten Turbine (152, 252, 352) zu der dritten Turbine (153, 253, 353),
eine erste Anschlusseinrichtung (171, 271), welche der ersten Fluidleitung (161, 261) zugeordnet ist und welche der¬ art eingerichtet ist, dass ein erster Teilmassenstrom (171a) des Arbeitsfluids von der ersten Fluidleitung (161, 261) ent¬ nehmbar oder der ersten Fluidleitung (161, 261) zuführbar ist, und
eine zweite Anschlusseinrichtung (172, 272), welche der zweiten Fluidleitung (162, 262) zugeordnet ist und welche derart eingerichtet ist, dass ein zweiter Teilmassenstrom (172a) des Arbeitsfluids von der zweiten Fluidleitung (162, 262) entnehmbar oder der zweiten Fluidleitung (162, 262) zu- führbar ist.
2. Turbinensystem (110, 310, 410) gemäß dem vorangehenden Anspruch, ferner aufweisend
eine erste Regelungseinrichtung (171b), welche der ers- ten Anschlusseinrichtung (171) zugeordnet ist, zum Einstellen der Stärke des ersten Teilmassenstroms (171a) und/oder eine zweite Regelungseinrichtung (172b), welche der zweiten Anschlusseinrichtung (172, 272) zugeordnet ist, zum Einstellen der Stärke des zweiten Teilmassenstroms (172a).
3. Turbinensystem (110, 310, 410) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei
die erste Turbine (151, 251, 351) und die zweite Turbine (152, 252, 352) über eine gemeinsame Welle (131a, 331a) mit dem zentralen Getriebe (130, 230, 330) gekoppelt sind, wobei insbesondere eine der beiden Turbinen (151, 251, 351; 152,
252, 352) an einer ersten Seite des zentralen Getriebes (130, 230, 330) und die andere der beiden Turbinen (151, 251, 351; 152, 252, 352) an einer zweiten Seite des zentralen Getriebes (130, 230, 330) angeordnet ist, wobei die erste Seite gegenü- berliegend zu der zweiten Seite ist.
4. Turbinensystem (110, 310, 410) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Turbine (151, 251, 351) und die dritte Turbine (153, 253, 353) derart mit dem zentralen Getriebe (130, 230, 330) gekoppelt sind, dass die erste Tur¬ bine (151, 251, 351) mit einer ersten Rotationsfrequenz und die dritte Turbine (153, 253, 353) mit einer zweiten Rotati¬ onsfrequenz betreibbar ist, wobei die erste Rotationsfrequenz unterschiedlich ist zu der zweiten Rotationsfrequenz.
5. Turbinensystem (110, 310, 410) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei
zumindest eine der drei Turbinen (151, 251, 351; 152, 252, 352; 153, 253, 353) eine Radialturbine ist.
6. Turbinensystem (110, 310, 410) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei
zumindest eine der drei Turbinen (151, 251, 351; 152, 252, 352; 153, 253, 353) eine Axialturbine ist.
7. Turbinensystem (110, 310, 410) gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei der Rotor der Axialturbine (353) mit einer Axialwelle (385) gekoppelt ist, welche auf der Seite des zentralen Getriebes (330) gelagert ist und welche in einem Gehäuse (353a) der Axialturbine (353) lagerfrei angeordnet ist.
8. Turbinensystem (110, 310, 410) gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei
der Rotor der Axialturbine (353) mehrere Turbinenstufen (381, 382, 383) aufweist, wobei jede Turbinenstufe (381, 382, 383) um die Axialwelle (385) herum angeordnet
(a) eine Reihe von am Rotor angebrachten rotierbaren Laufschaufeln (381a, 382a, 383a) und
(b) eine Reihe von am Gehäuse (353a) angebrachten stationären Leitschaufeln (381a, 381b) aufweist.
9. Turbinensystem (110, 310, 410) gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei
die Laufschaufeln (381a, 382a, 383a) einer Reihe an einem Laufschaufelträger angebracht sind und wobei
die mehreren Laufschaufelträger mittels einer Zugeinrichtung (386) auf der Axialwelle (385) fixiert sind.
10. Turbinensystem (110, 410) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend
eine vierte Turbine (154, 454), welche mit dem zentralen
Getriebe (130, 330) mechanisch gekoppelt ist,
eine dritte Fluidleitung (163) zum Weiterleiten des Ar- beitsfluids von der dritten Turbine (153, 353) zu der vierten Turbine (154, 454 und
eine dritte Anschlusseinrichtung (173), welche der drit¬ ten Fluidleitung (163) zugeordnet ist und welche derart ein¬ gerichtet ist, dass ein dritter Teilmassenstrom (173a) des Arbeitsfluids von der dritten Fluidleitung (163) entnehmbar oder der dritten Fluidleitung (163) zuführbar ist.
11. Turbinenanlage (100), 200 aufweisend
ein Turbinensystem (110, 310, 410) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, und eine Arbeitsmaschine (120, 220), welche mit dem mechani¬ schen Anschluss des zentralen Getriebes (130, 230) gekoppelt ist .
12. Verfahren zum Betreiben einer Arbeitsmaschine (120, 220), das Verfahren aufweisend
Bereitstellen eines eine Energie enthaltenden Ar- beitsfluids ,
Zuführen des Arbeitsfluids zu einem Turbinensystem (110, 310) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 10, wobei das Turbinensystem (110, 310) zumindest einen Teil der Energie des Arbeitsfluids entnimmt und zumindest einen Teil der entnommenen Energie in mechanische Arbeit umwandelt, und
Betreiben der Arbeitsmaschine (120, 220) mit der umge¬ wandelten mechanischen Arbeit.
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