EP3572628A1 - Dampfturbinenanordnung - Google Patents

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EP3572628A1
EP3572628A1 EP19173420.1A EP19173420A EP3572628A1 EP 3572628 A1 EP3572628 A1 EP 3572628A1 EP 19173420 A EP19173420 A EP 19173420A EP 3572628 A1 EP3572628 A1 EP 3572628A1
Authority
EP
European Patent Office
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turbine
shaft
steam turbine
bevel gear
designed
Prior art date
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Granted
Application number
EP19173420.1A
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English (en)
French (fr)
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EP3572628B1 (de
Inventor
Holger HERTWIG
Detlef Haje
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP3572628A1 publication Critical patent/EP3572628A1/de
Application granted granted Critical
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
    • F01D15/12—Combinations with mechanical gearing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D13/00—Combinations of two or more machines or engines
    • F01D13/003—Combinations of two or more machines or engines with at least two independent shafts, i.e. cross-compound
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
    • F01D15/10—Adaptations for driving, or combinations with, electric generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/30—Application in turbines
    • F05D2220/31—Application in turbines in steam turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/40—Transmission of power
    • F05D2260/403—Transmission of power through the shape of the drive components
    • F05D2260/4031—Transmission of power through the shape of the drive components as in toothed gearing

Definitions

  • the invention relates to a steam turbine arrangement according to the preamble of independent claim 1.
  • steam turbines When certain circumstances occur, in particular when high steam parameters are present, steam turbines must be designed with multiple housings. That is, the steam is not expanded in a single turbine from the inlet to the outlet parameters, the total expansion is rather divided into several sub-turbines.
  • Conventional steam turbine assemblies include either two sub-turbines consisting of a high pressure and a low pressure turbine or three sub-turbines comprising a high pressure turbine, a medium pressure turbine and a low pressure turbine.
  • the low-pressure turbine in which the last part of the expansion is realized, having an axial outflow.
  • Such an arrangement requires the positioning of the low-pressure turbine at the strand end. At the other end of the strand is preferably and usually arranged the generator.
  • FIG. 1 An arrangement accordingly FIG. 1 has the technical problem that the handling of electrical accidents with her are very limited feasible.
  • the rotor of the high-pressure turbine usually has a comparatively small rotational moment of inertia compared with the comparatively large rotational moment of inertia of the low-pressure turbine and of the generator.
  • One solution consists in the oversizing of all components involved, so that they endure all disturbance torques without breakage. In addition to the significant additional costs, the oversizing of the components also leads to a deterioration of the rotor dynamic behavior.
  • Another solution provides to arrange a slip clutch between the turbine parts and thereby limit the transmitted torques to a value that endure the components.
  • the behavior of the friction clutches in the event of a fault is only conditionally predictable and it is questionable whether they are able to endure several accidents without significant changes in their properties.
  • Another solution is to position the sub-turbines on both sides of the generator. However, this arrangement has the disadvantage that for the maintenance of the generator (pull the inductor) one of the two sub-turbines or the generator itself must be moved aside.
  • the object of the present invention is to overcome the disadvantages described above, and to provide a steam turbine arrangement which makes electrical accidents easier to handle.
  • the steam turbine assembly comprising at least a first, designed as a high-pressure turbine, part turbine and a second, designed as a low-pressure turbine part turbine and a generator, wherein the second turbine part and the generator are connected to each other via a first shaft, are characterized in that the steam turbine assembly at least a first bevel gear comprising a first ring gear disposed on the first shaft and a first pinion disposed on a second shaft, and wherein the second shaft is connected to the first sub-turbine so that the first sub-turbine transmits power via the first bevel gear to the first Wave transmits.
  • the moments which occur are not passed through the turbine part constructed as a high-pressure turbine in the event of an electrical incident.
  • the second designed as a low-pressure turbine turbine part is designed from home so that it endures the disturbance torque and thus need not be modified. Thus, no oversizing of the components is necessary.
  • the use of a slip clutch, as was previously the case, is not necessary. Nevertheless, the use of generators with single-sided drive is possible. Another advantage is that the speed of the high-pressure turbines is as effective as possible and precisely adjusted by the bevel gear.
  • a further embodiment of the invention provides that the steam turbine arrangement has a third, designed as a medium-pressure turbine sub-turbine, wherein the first bevel gear, another, arranged on a third shaft second pinion, and wherein the third shaft is connected to the third sub-turbine, so that the third sub-turbine transmits their power via the first bevel gear, to the first shaft.
  • This arrangement of the sub-turbines the concept is applicable to a three-stranded strand with a medium-pressure turbine, which faces the high-pressure turbine.
  • the high-pressure and low-pressure turbine access to the common first ring gear.
  • a further embodiment of the invention provides that the steam turbine arrangement comprises a third, designed as a medium-pressure turbine part turbine and a second bevel gear, and arranged on the first shaft second ring gear and arranged on the third shaft third pinion and wherein the third wave with the third sub-turbine is connected so that the third sub-turbine transmits its power via the second bevel gear to the first shaft.
  • the concept can also be applied to a three-stranded strand consisting of high-pressure, medium-pressure and low-pressure turbine. Compared with the concept described above, this concept still has the additional advantage that the high-pressure and medium-pressure turbine can be operated with different rotational speeds from one another and from the generator rotational speed.
  • the axial angle ⁇ between the first shaft and the second shaft and / or the axial angle ⁇ between the first shaft and the third shaft is less than 90 °, preferably less than 50 °.
  • the reduction of the axis angle allows an increase of the possible tooth width.
  • the transmissible power of the bevel gear increases, whereby it is also suitable for larger power ranges, as they often occur in the steam turbine.
  • a further embodiment of the invention provides that at least one ring gear and / or at least one pinion in the axial Direction is slidably disposed to the respective shaft. Due to the adjustable axial position of the pinion or the ring gear during operation position errors can be compensated. As a result, the deformation and misalignment of the highly stressed teeth can be prevented or at least limited. Magnetic bearings, adjustable oil bearings (in particular hydrostatic bearings) or other types of bearings or bearing arrangements (mechanically or hydraulically displaceable bearing bodies or bearing housings or the like) may be used to adjust the axial position. The axial position can be adapted by means of a control technology intervention.
  • a metrological detection of the intervention situation (engagement conditions) and a control of the position of the thrust bearing, the pinion or the ring gear (relative position) are necessary.
  • the metrological detection may include, for example, the following parameters: axial position, radial position, noise / vibration, bearing temperature.
  • a further inventive embodiment of the invention provides that the transmission ratios of the bevel gear are smaller than 4, preferably smaller than 3.
  • the transmission ratios of the bevel gear are smaller than 4, preferably smaller than 3.
  • FIG. 1 shows a steam turbine assembly according to the prior art.
  • the steam turbine arrangement comprises a first, designed as a high-pressure turbine turbine part 1 and a second, formed as a low-pressure turbine and axially outflowing part turbine 2. Furthermore, the steam turbine assembly comprises a generator 3.
  • the two turbine sections 1 and 2 are connected to each other via a common first shaft 4. Due to the requirement that the last part of the expansion must have an axial outflow, it is necessary for the second sub-turbine to be arranged at the end of the line, ie at one end of the first shaft 4. At the other end of the strand is usually and preferably the generator 3.
  • the first, designed as a high-pressure turbine turbine part 1 between the axially flowing low-pressure turbine 2 and the generator 3 on the common first shaft 4 is arranged.
  • Such a steam turbine arrangement has the disadvantage that, in the event of an occurrence of electrical incidents, the disturbance torque must be conducted through the first sub-turbine 1.
  • the first turbine part 1 designed as a high-pressure turbine has a comparatively low moment of inertia of inertia, compared with the rotational moment of inertia of the second turbine part 2 designed as a low-pressure turbine of the generator 3 has.
  • This technical problem is greater the greater the asymmetry in terms of power and rotational moment of inertia of the individual turbine shafts.
  • the shaft of the high-pressure turbine In order for the shaft of the high-pressure turbine to be able to endure the disturbing torque in the event of an electrical fault, its rotor must be made very solid. This leads to considerable additional costs of the steam turbine arrangement.
  • FIG. 2 shows a first embodiment of a steam turbine arrangement according to the invention.
  • the steam turbine arrangement comprises a first, designed as a high-pressure turbine turbine part 1 and a second designed as a low-pressure turbine and axially outflowing part turbine 2. Furthermore, the steam turbine assembly comprises a generator 3, wherein the second turbine part 2 and the generator 3 are connected to each other via a first shaft 4 ,
  • the steam turbine arrangement has a first bevel gear 5, which comprises a first ring gear 6 arranged on the first shaft 4 and a first pinion 8 arranged on a second shaft 7.
  • the second shaft 7 is connected to the first sub-turbine 1, so that the first sub-turbine 1 transmits its power via the first bevel gear 5 to the first shaft 4.
  • the power of the first turbine part 1 designed as a high-pressure turbine is transmitted to the first shaft 4 via the first bevel gear 5.
  • a possible disturbance torque which occurs, for example, due to an electrical accident, is no longer conducted through the first part turbine 1 as in the prior art.
  • the designed as a low-pressure turbine second turbine part 2 is usually designed so that it survives the disturbance torques without damage.
  • the topology allows for the first time an axial outflow in connection with a one-sided driven generator with at the same time minimal space requirement. This can be dispensed with a costly oversizing of the components of the first turbine part. Likewise, the use of slip clutches to limit the moments occurring can be dispensed with.
  • FIG. 3 shows a second steam turbine assembly according to the invention.
  • the steam turbine arrangement in this case comprises a third, designed as a medium-pressure turbine turbine part 9.
  • the designed as a high-pressure turbine turbine part 1 and designed as a medium-pressure turbine turbine part 9 are facing each other.
  • the first part turbine 1 and the third part turbine 9 access the same first bevel gear 5.
  • a further arranged on a third shaft 10 second pinion 11 is provided, wherein the third shaft 10 is connected to the third turbine part 9, so that the third turbine part 9 transmits its power via the first bevel gear 5 to the first shaft 4.
  • both the partial turbine 1 designed as a high-pressure turbine and the partial turbine 9 designed as a medium-pressure turbine are decoupled such that the moments occurring in the event of an electrical fault need not be conducted through these two partial turbines.
  • both the first turbine part 1 and the third turbine part 9 can be dimensioned without overdimensioning the components which would be necessary for the high moments in the event of a fault. This results in significant cost savings.
  • FIG. 4 shows a further steam turbine assembly according to the invention.
  • the steam turbine arrangement in turn comprise, as in the exemplary embodiment 3, a first turbine part 1 designed as a high-pressure turbine, a second turbine part 2 designed as a low-pressure turbine and axially outflowing as well as a third turbine part 9 designed as a medium-pressure turbine.
  • the second partial turbine 2 designed as a low-pressure turbine is connected to the generator 3 via the first shaft 4.
  • the steam turbine arrangement in turn comprises a first bevel gear 5, comprising a first ring gear 6 arranged on the first shaft 4 and a first pinion 8 arranged on the second shaft 7, the second shaft 7 being connected to the first part turbine 1, so that the first part turbine 1 transmits its power via the first bevel gear 5 to the first shaft 4.
  • the steam turbine arrangement comprises a second bevel gear 12, comprising a second ring gear 13 arranged on the first shaft 4 and a third gear 14 arranged on the third shaft 10.
  • the third shaft 10 is connected to the third turbine part 9, so that the third one Partial turbine 9 transmits its power via the second bevel gear 12, to the first shaft 4.
  • the steam turbine arrangement thus has two bevel gear units 5, 12, wherein the first bevel gear unit 5 is connected to the part turbine 1 designed as a high-pressure turbine and the second bevel gearbox 12 to the part turbine 9 designed as a medium-pressure turbine.
  • Such an arrangement with two bevel gearboxes has the advantage that the rotational speed of the first turbine part and the rotational speed of the second turbine part can be set and optimized independently of each other. This results in further increases in efficiency.
  • Axialpositionssensoren 16 arranged, which measure the exact position of the basement wheel 6, 13 and / or the pinion 8, 11 and 14 , Process the information and give a corresponding signal to the adjustable thrust bearing 15, which then axially shift the pinion 8, 11, 14 and the bevel gears 6, 13 and ensure that the axial play is minimized.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dampfturbinenanordnung, umfassend wenigstens eine erste, als Hochdruckturbine ausgebildete Teilturbine (1) und eine zweite, als Niederdruckturbine ausgebildete Teilturbine (2) sowie einen Generator (3), wobei die zweite Teilturbine (2) und der Generator (3) über eine erste Welle (4) miteinander verbunden sind. Die Dampfturbinenanordnung umfasst dabei wenigstens ein erstes Kegelradgetriebe (5), umfassend ein auf der ersten Welle (4) angeordnetes erstes Tellerrad (6) und ein auf einer zweiten Welle (7) angeordnetes erstes Ritzel (8). Darüber hinaus weist die Dampfturbinenanordnung eine zweite Welle (7) auf, welche mit der ersten Teilturbine (1) verbunden ist, so dass die erste Teilturbine (1) ihre Leistung über das erste Kegelradgetriebe (5), an die erste Welle (4) überträgt. Durch eine solche Dampfturbinenanordnung wird bei einem elektrischen Störfall das Störmoment nicht über die als Hochdruck- oder als Mitteldruckturbine ausgebildete Teilturbine hindurch geleitet, wodurch diese konstruktiv deutlich günstiger ausgebildet werden kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Dampfturbinenanordnung nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1.
  • Beim Eintreten bestimmter Umstände insbesondere beim Vorliegen hoher Dampfparameter müssen Dampfturbinen mehrgehäusig ausgeführt werden. D.h., dass der Dampf nicht in einer einzelnen Turbine von den Eintritts- bis zu den Austrittsparametern entspannt wird, die Gesamtexpansion wird vielmehr auf mehrere Teilturbinen aufgeteilt. Übliche Dampfturbinenanordnungen umfassen entweder zwei Teilturbinen, bestehend aus einer Hochdruck und einer Niederdruckturbine oder drei Teilturbinen, umfassend eine Hochdruckturbine, eine Mitteldruckturbine und eine Niederdruckturbine. Bei manchen Dampfturbinenanordnungen ist es gefordert, dass die Niederdruckturbine, in der der letzte Teil der Expansion realisiert wird, eine axiale Abströmung aufweist. Eine solche Anordnung erfordert die Positionierung der Niederdruckturbine am Strangende. Am anderen Strangende ist vorzugsweise und üblicherweise der Generator angeordnet. Hierdurch sind die beiden Strangenden belegt und der bzw. die Teilturbinen (Hochdruck-, Mitteldruckturbine) in der der vorgelagerte Teil der Expansion stattfindet, muss zwischen der axial abströmenden Niederdruckturbine und dem Generator positioniert werden. Eine solche Turbinenanordnung ist in Figur 1 dargestellt. Eine Anordnung entsprechend Figur 1 weist das technische Problem auf, dass die Handhabung elektrischer Störfälle mit ihr nur sehr bedingt realisierbar sind. Der Läufer der Hochdruckturbine besitzt üblicherweise ein vergleichsweise kleines Rotationsträgheitsmoment verglichen mit dem vergleichsweise großen Rotationsträgheitsmoment der Niederdruckturbine und des Generators. Um die Störmomente für die Hochdruckturbine erträglich zu machen, gibt es bislang mehrere Ansätze, die jedoch zu erheblichen Mehrkosten führen.
  • Eine Lösung besteht in der Überdimensionierung aller beteiligten Baugruppen, so dass sie alle Störmomente ohne Bruch ertragen. Neben den erheblichen Mehrkosten führt die Überdimensionierung der Bauteile auch zu einer Verschlechterung des rotordynamischen Verhaltens.
    Eine weitere Lösung sieht vor, eine Rutschkupplung zwischen den Teilturbinen anzuordnen und hierdurch den durchgeleiteten Drehmomente auf einen Wert zu begrenzen, den die Bauteile ertragen. Das Verhalten der Rutschkupplungen im Störfall ist jedoch nur bedingt voraus berechenbar und es ist fraglich, ob sie in der Lage sind, mehrere Störfälle ohne wesentliche Änderung ihrer Eigenschaften zu ertragen.
    Eine weitere Lösung besteht darin, die Teilturbinen beidseits des Generators zu positionieren. Diese Anordnung bringt aber den Nachteil mit sich, dass zur Wartung des Generators (ziehen des Induktors) eine der beiden Teilturbinen oder der Generator selbst zur Seite gerückt werden muss. Dies bedeutet einen erheblichen Mehrplatzbedarf im Maschinenhaus, welcher nicht immer vorhanden ist. Darüber hinaus führt der Generator mit beidseitigem Antrieb zu erhöhten Mehrkosten beim Generator und zu einem Mehraufwand bei der Durchführung der Wartung. Auch sind nicht alle vom Kunden vorgeschriebenen Lieferanten in der Lage, Generatoren mit beidseitigem Antrieb zu fertigen.
    Eine weitere Möglichkeit besteht darin, alle Hauptkomponenten der Dampfturbinenanordnung koaxial zu positionieren. Die Teilturbinen übertragen dabei die Leistung auf ein Getriebe das deren Leistung summiert und an den Generator überträgt. Der Nachteil dieser Topologie ist jedoch, dass der Achsabstand, den die Getriebe sinnvollerweise aufweisen, nicht mit dem Achsabstand der Turbine in Einklang zu bringen ist. Die Turbinen bedingen einen wesentlich größeren Achsabstand.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die zuvor beschriebenen Nachteile zu überwinden, und eine Dampfturbinenanordnung bereitzustellen, welche elektrische Störfälle besser handhabbar macht.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Dampfturbinenanordnung nach den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung, die einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die erfindungsgemäße Dampfturbinenanordnung, umfassend wenigstens eine erste, als Hochdruckturbine ausgebildete, Teilturbine und eine zweite, als Niederdruckturbine ausgebildete Teilturbine sowie einen Generator, wobei die zweite Teilturbine und der Generator über eine erste Welle miteinander verbunden sind, zeichnen sich dadurch aus, dass die Dampfturbinenanordnung wenigstens ein erstes Kegelradgetriebe, umfassend ein auf der ersten Welle angeordnetes erstes Tellerrad und ein auf einer zweiten Welle angeordnetes erstes Ritzel aufweist und wobei die zweite Welle mit der ersten Teilturbine verbunden ist, so dass die erste Teilturbine ihre Leistung über das erste Kegelradgetriebe, an die erste Welle überträgt.
    Durch die erfindungsgemäße Dampfturbinenanordnung werden im elektrischen Störfall die auftretenden Momente nicht durch die als Hochdruckturbine ausgebildete Teilturbine hindurch geleitet. Die zweite als Niederdruckturbine ausgebildete Teilturbine ist von Hause aus derart ausgebildet, dass sie das Störmoment erträgt und muss somit nicht modifiziert werden. Somit ist keine Überdimensionierung der Komponenten notwendig. Auch der Einsatz einer Rutschkupplung, wie dies bislang der Fall war, ist nicht nötig. Trotzdem ist der Einsatz von Generatoren mit einseitigem Antrieb möglich. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Drehzahl der Hochdruckturbinen möglichst effektiv und punktgenau durch das Kegelradgetriebe einstellbar ist.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Dampfturbinenanordnung eine dritte, als Mitteldruckturbine ausgebildete Teilturbine aufweist, wobei das erste Kegelradgetriebe, ein weiteres, auf einer dritten Welle angeordnetes zweites Ritzel aufweist, und wobei die dritte Welle mit der dritten Teilturbine verbunden ist, so dass die dritte Teilturbine deren Leistung über das erste Kegelradgetriebe, an die erste Welle überträgt. Durch diese Anordnung der Teilturbinen ist das Konzept auf einen dreigehäusigen Strang mit einer Mitteldruckturbine, welche der Hochdruckturbine gegenübersteht anwendbar. Die Hochdruck- und die Niederdruckturbine greifen dabei auf das gemeinsame erste Tellerrad zu.
  • Ein weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Dampfturbinenanordnung eine dritte, als Mitteldruckturbine ausgebildete Teilturbine sowie ein zweites Kegelradgetriebe, umfasst und ein auf der ersten Welle angeordnetes zweites Tellerrad und ein auf dem dritten Welle angeordnetes drittes Ritzel aufweist und wobei die dritte Welle mit der dritten Teilturbine verbunden ist, so dass die dritte Teilturbine ihre Leistung über das zweite Kegelradgetriebe, an die erste Welle überträgt. Mit dieser Anordnung lässt sich alternativ ebenfalls das Konzept auf einen dreigehäusigen Strang bestehend aus Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdruckturbine anwenden. Gegenüber dem zuvor beschriebenen Konzept bietet dieses Konzept noch den zusätzlichen Vorteil, dass die Hochdruck- und die Mitteldruckturbine mit unterschiedlichen Drehzahlen voneinander und von der Generatordrehzahl abweichend, betrieben werden können.
  • Eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Achswinkel ∑ zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle und/oder der Achswinkel ∑ zwischen der ersten Welle und der dritten Welle kleiner als 90°, vorzugsweise kleiner als 50° ist. Die Verringerung des Achswinkels ermöglicht eine Erhöhung der möglichen Zahnbreite. Hierdurch nimmt die übertragbare Leistung des Kegelradgetriebes zu, wodurch es auch für größere Leistungsbereiche, wie sie bei der Dampfturbine häufig auftreten, geeignet ist.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass wenigstens ein Tellerrad und/oder wenigstens ein Ritzel in axialer Richtung zur jeweiligen Welle verschiebbar angeordnet ist. Durch die einstellbare Axialposition des Ritzels bzw. des Tellerrads während des Betriebes können Lagefehler kompensiert werden. Hierdurch kann die Verformung und Fehlausrichtung der hoch beanspruchten Verzahnung verhindert oder zumindest begrenzt werden. Zur Verstellung der Axialposition kommen bspw. Magnetlager, einstellbare Öllager (insbesondere hydrostatische Lager) oder andere Lagertypen oder Lageranordnungen (mechanisch oder hydraulisch verschiebbare Lagerkörper oder Lagergehäuse oder ähnliches) in Frage. Die Axialposition kann durch einen leittechnischen Eingriff angepasst werden. Hierzu sind vorzugsweise eine messtechnische Erfassung der Eingriffssituation (Eingriffsbedingungen) und eine Regelung der Position der Axiallager, des Ritzels bzw. des Tellerrades (Relativposition) nötig. Die messtechnische Erfassung kann z.B. die folgenden Parameter umfassen: Axialposition, Radialposition, Geräusche/Schwingungen, Lagertemperatur.
  • Eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Übersetzungsverhältnisse der Kegelradgetriebe kleiner als 4, vorzugsweise kleiner als 3 sind. Durch die Begrenzung des Übersetzungsverhältnisses können trotz hoher Leistungen sinnvolle konstruktive Lösungen ermöglicht werden (z.B. Ritzendurchmesser, Lagerung der Ritzel, etc.). Für volltourige Maschinen (Abtrieb mit Netzfrequenz) sind Übersetzungsverhältnisse kleiner als 4, besser kleiner als 3 anzustreben, da anderenfalls kegelverzahnungsspezifische Zahnbreitenbeschränkungen zum Tragen kommen. Für halbtourige Maschinen können diese Werte um den Faktor 1,5 erhöht werden.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:
    • -Figur 1
    eine Dampfturbinenanordnung nach dem Stand der Technik;
    -Figur 2
    ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Dampfturbinenanordnung mit zwei Teilturbinen;
    -Figur 3
    ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Dampfturbinenanordnung mit drei Teilturbine;
    -Figur 4
    eine weiteres alternatives erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel einer Dampfturbinenanordnung mit drei Teilturbinen;
    -Figur 5
    eine Detailansicht einer erfindungsgemäßen Dampfturbinenanordnung mit einem Achswinkel ∑ kleiner 90°.
  • Die Figuren zeigen jeweils zum Teil stark vereinfachte Darstellungen, bei denen im Wesentlichen
    nur die jeweils für die Erläuterung notwendigen Bauteile dargestellt sind. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind figurübergreifend mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Figur 1 zeigt eine Dampfturbinenanordnung nach dem Stand der Technik. Die Dampfturbinenanordnung umfasst eine erste, als Hochdruckturbine ausgebildete Teilturbine 1 und eine zweite, als Niederdruckturbine ausgebildete und axial abströmende Teilturbine 2. Des Weiteren umfasst die Dampfturbinenanordnung einen Generator 3. Die beiden Teilturbinen 1 und 2 sind über eine gemeinsame erste Welle 4 miteinander verbunden. Aufgrund der Anforderung, dass der letzte Teil der Expansion eine axiale Abströmung aufweisen muss, ist es erforderlich, dass die zweite Teilturbine am Strangende, d.h. an einem Ende der ersten Welle 4 angeordnet sein muss. Am anderen Strangende steht üblicherweise und vorzugsweise der Generator 3. Dadurch ist es notwendig, dass die erste, als Hochdruckturbine ausgebildete Teilturbine 1 zwischen der axial abströmenden Niederdruckturbine 2 und dem Generator 3 auf der gemeinsamen ersten Welle 4 angeordnet ist. Eine solche Dampfturbinenanordnung hat den Nachteil, dass bei einem Auftreten elektrischer Störfälle, das Störmoment durch die erste Teilturbine 1 hindurch geleitet werden muss. Dies ist insoweit problematisch, dass die als Hochdruckturbine ausgebildete erste Teilturbine 1 ein vergleichsweise geringes Rotationsträgheitsmoment, verglichen mit dem Rotationsträgheitsmoment der als Niederdruckturbine ausgebildeten zweiten Teilturbine 2 und des Generators 3 aufweist. Dieses technische Problem ist umso größer je größer die Asymmetrie bezüglich Leistung und Rotationsträgheitsmoment der einzelnen Teilturbinenwellen ist. Damit die Welle der Hochdruckturbine bei einem elektrischen Störfall den Störmoment ertragen kann, muss deren Läufer sehr massiv ausgeführt werden. Dies führt zu erheblichen Mehrkosten der Dampfturbinenanordnung.
  • Figur 2 zeigt ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Dampfturbinenanordnung. Die Dampfturbinenanordnung umfasst eine erste, als Hochdruckturbine ausgebildete Teilturbine 1 und eine zweite als Niederdruckturbine ausgebildete und axial abströmende Teilturbine 2. Des Weiteren weist die Dampfturbinenanordnung einen Generator 3 auf, wobei die zweite Teilturbine 2 und der Generator 3 über eine erste Welle 4 miteinander verbunden sind. Die Dampfturbinenanordnung weist ein erstes Kegelradgetriebe 5 auf, welches ein auf der ersten Welle 4 angeordnetes erstes Tellerrad 6 und ein auf einer zweiten Welle 7 angeordnetes erstes Ritzel 8 umfasst. Die zweite Welle 7 ist mit der ersten Teilturbine 1 verbunden, so dass die erste Teilturbine 1 ihre Leistung über das erste Kegelradgetriebe 5 an die erste Welle 4 überträgt. Durch diese Topologie wird die Leistung der als Hochdruckturbine ausgebildeten ersten Teilturbine 1 über das erste Kegelradgetriebe 5 an die erste Welle 4 übertragen. Hierdurch wird ein mögliches Störmoment, welches bspw. aufgrund eines elektrischen Störfalls auftritt, nicht mehr wie beim Stand der Technik durch die erste Teilturbine 1 hindurch geleitet. Hierdurch muss das Störmoment auch nicht wie bislang limitiert werden. Die als Niederdruckturbine ausgebildete zweite Teilturbine 2 ist üblicherweise so ausgelegt, dass sie die Störmomente ohne Schäden übersteht. Die Topologie ermöglicht erstmals eine axiale Abströmung in Verbindung mit einem einseitig angetriebenen Generator bei gleichzeitig minimalem Platzbedarf. Dabei kann auf eine kostenintensive Überdimensionierung der Komponenten der ersten Teilturbine verzichtet werden. Ebenfalls kann auf den Einsatz von Rutschkupplungen zur Limitierung der auftretenden Momente verzichtet werden.
  • Ein weiterer Vorteil gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Einwellentopologie liegt darin, dass die Drehzahl der als Hochdruckturbine ausgebildeten Teilturbine punktgenau, d.h. möglichst effektiv über das erste Kegelradgetriebe eingestellt werden kann. Hierdurch ergeben sich zusätzliche Wirkungsgradvorteile.
  • Figur 3 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Dampfturbinenanordnung. Bei der Dampfturbinenanordnung nach Figur 3 wurde das Konzept auf einen dreigehäusigen Strang erweitert. Die Dampfturbinenanordnung umfasst dabei eine dritte, als Mitteldruckturbine ausgebildete Teilturbine 9. Die als Hochdruckturbine ausgebildete Teilturbine 1 und die als Mitteldruckturbine ausgebildete Teilturbine 9 stehen sich dabei gegenüber. Die erste Teilturbine 1 und die dritte Teilturbine 9 greifen auf dasselbe erste Kegelradgetriebe 5 zu. Dazu ist ein weiteres auf einer dritten Welle 10 angeordnetes zweites Ritzel 11 vorgesehen, wobei die dritte Welle 10 mit der dritten Teilturbine 9 verbunden ist, so dass die dritte Teilturbine 9 ihre Leistung über das erste Kegelradgetriebe 5 an die erste Welle 4 überträgt. Durch die erfindungsgemäße Dampfturbinenanordnung sind sowohl die als Hochdruckturbine ausgebildete Teilturbine 1 als auch die als Mitteldruckturbine ausgebildete Teilturbine 9 so entkoppelt, dass im elektrischen Störfall die auftretenden Momente nicht durch diese beiden Teilturbinen hindurch geleitet werden müssen. Somit können sowohl die erste Teilturbine 1 als auch die dritte Teilturbine 9 ohne eine Überdimensionierung der Komponenten, welche für die hohen Momente im Störfall notwendig wären, dimensioniert werden. Hierdurch ergeben sich erhebliche Kosteneinsparungen.
  • Figur 4 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Dampfturbinenanordnung. Die Dampfturbinenanordnung umfassen wiederum wie beim Ausführungsbeispiel 3 eine erste als Hochdruckturbine ausgebildete Teilturbine 1, eine zweite als Niederdruckturbine ausgebildete und axial abströmende Teilturbine 2 sowie eine dritte als Mitteldruckturbine ausgebildete Teilturbine 9.
  • Die zweite als Niederdruckturbine ausgebildete Teilturbine 2 ist über die erste Welle 4 mit dem Generator 3 verbunden. Die Dampfturbinenanordnung umfasst wiederum ein erstes Kegelradgetriebe 5, umfassend ein auf der ersten Welle 4 angeordnetes erstes Tellerrad 6 und ein auf der zweiten Welle 7 angeordnetes erstes Ritzel 8, wobei die zweite Welle 7 mit der ersten Teilturbine 1 verbunden ist, so dass die erste Teilturbine 1 ihre Leistung über das erste Kegelradgetriebe 5 an die erste Welle 4 überträgt. Des Weiteren umfasst die Dampfturbinenanordnung ein zweites Kegelradgetriebe 12, umfassend ein auf der ersten Welle 4 angeordnetes zweites Tellerrad 13 und ein auf der dritten Welle 10 angeordnetes drittes Ritzel 14. Die dritte Welle 10 ist dabei mit der dritten Teilturbine 9 verbunden, so dass die dritte Teilturbine 9 ihre Leistung über das zweite Kegelradgetriebe 12, an die erste Welle 4 überträgt. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach Figur 3 weist die Dampfturbinenanordnung somit zwei Kegelradgetriebe 5, 12 auf, wobei das erste Kegelradgetriebe 5 mit der als Hochdruckturbine ausgebildeten Teilturbine 1 und das zweite Kegelradgetriebe 12 mit der als Mitteldruckturbine ausgebildeten Teilturbine 9 verbunden ist. Eine solche Anordnung mit zwei Kegelradgetrieben hat den Vorteil, dass die Drehzahl der ersten Teilturbine und die Drehzahl der zweiten Teilturbine unabhängig voneinander eingestellt und optimiert werden kann. Hierdurch ergeben sich weitere Wirkungsgradsteigerungen.
  • Figur 5 zeigt eine Ausgestaltung eines Kegelradgetriebes 5, 12 wie es in einer erfindungsgemäßen Dampfturbinenanordnung eingesetzt werden kann. Bei Kegelradgetrieben, bei denen die Wellen in einem Winkel von 90° zueinander stehen, ist die Leistung des Kegelradgetriebes beschränkt. Um die übertragbare Leistung des Kegelradgetriebes zu erhöhen, ist vorgesehen, dass der Achswinkel ∑ zwischen der ersten Welle 4 und der zweiten Welle 7 und/oder der Achswinkel ∑ zwischen der ersten Welle 4 und der dritten Welle 10 kleiner als 90°, vorzugsweise kleiner als 50°, ist. Der flachere Achswinkel ∑ ermöglicht eine wesentliche Erhöhung der möglichen Zahnbreite und damit der möglichen Leistungsübertragung. Um trotz hoher zu übertragender Leistungen sinnvolle konstruktive Lösungen insbesondere im Hinblick auf den Ritzeldurchmesser und die Lagerung der Ritzel zu ermöglichen, sollte das Übersetzungsverhältnis für volltourige Turbinen (Abtrieb mit Netzfrequenz) kleiner als 4, besser kleiner als 3, sein; da anderenfalls kegelverzahnungsspezifische Zahnbreitenbeschränkungen zum Tragen kommen. Für halbtourige Turbinen können diese Werte um den Faktor 1,5 erhöht werden. Für hohe Leistungsübertragungen sollte zudem, zumindest für volltourige Turbinen, eine hohe Umfangsgeschwindigkeit angestrebt werden. Eine Spiralverzahnung trägt stark zu einer hohen übertragenden Leistung bei, ebenso wie eine Breitenballigkeit der Verzahnung und die Ausführung geeigneter Zahnkorrekturen. Zur Begrenzung von Verformungen und Fehlausrichtungen der hoch beanspruchten Verzahnung sind grundsätzlich unterschiedliche Maßnahmen, die einzeln oder in Kombination eingesetzt werden können, möglich. Diese wäre z.B.:
    • ein während des Betriebs einstellbares und in Axialrichtung verschiebbares Ritzel, um Lagefehler kompensieren zu können (Verlagerungsempfindlichkeit der Kegelverzahnung). Hierfür eignen sich insbesondere Magnetlager und einstellbare Öllager (insbesondere hydrostatische Lager) sowie andere Lagertypen oder Lageranordnungen, die in axialer Position durch einen leittechnischen Angriff angepasst werden können.
    • Messtechnische Erfassung der Eingriffssituation (Eingriffsbedingungen) und Regelung der Axiallage des Ritzels (Relativposition zur Radscheibe). Die messtechnische Erfassung kann dabei z.B. die folgenden Parameter umfassen: Axialpositionen, Radialpositionen, Geräusche/Schwingungen, Lagertemperaturen.
    • Limitierung der axialen Lageänderung des Kegelrades durch kurze Abstände zwischen Axiallager und Verzahnung und gegebenenfalls einstellbare Axialposition beim Ritzel.
    • Lagerung der Ritzelwelle möglichst beidseitig (begünstigt durch einen kleinen Achswinkel und eine Begrenzung des Übersetzungsverhältnisses).
    • Wahl der Richtung und des Steigungswinkels der Spiralverzahnung derart, dass die aus dem Zahneingriff resultierenden Querkräfte zumindest teilweise kompensiert werden.
  • Zur Erfassung der Axialposition des Tellerrades 6, 13 sind auf der ersten Welle und/oder der zweiten Welle/dritten Welle 7,10 Axialpositionssensoren 16 angeordnet, die die exakte Position des Kellerrades 6, 13 und/oder des Ritzels 8, 11 und 14 messen, die Information verarbeiten und ein entsprechendes Signal an die einstellbaren Axiallager 15 geben, die dann die Ritzel 8, 11, 14 bzw. die Kegelräder 6, 13 axial verschieben und dafür sorgen, dass das Axialspiel möglichst gering ist.
  • Zusammenfassend lässt sich somit festhalten, dass durch die erfindungsgemäße Dampfturbinenanordnung erstmals eine Topologie möglich ist, welche bei einer axialen Abströmung in Verbindung mit mehreren Teilturbinen, einen einseitig angetriebenen Generator, bei minimalem Platzbedarf ermöglicht. Dabei können sowohl die Hochdruckturbine als auch die Mitteldruckturbine unabhängig voneinander und unabhängig von der nachgeschalteten Niederdruckturbine unterschiedliche und von der Generatordrehzahl abweichende Drehzahlen aufweisen. Hierdurch nimmt der Wirkungsgrad der Dampfturbinenanordnung im Gegensatz zu den bislang verwendeten Dampfturbinenanordnungen zu. Gleichzeitig können durch den verringerten Konstruktionsaufwand die Kosten für die Turbinenanordnung deutlich gesenkt werden.

Claims (6)

  1. Dampfturbinenanordnung, umfassend wenigsten eine erste, als Hochdruckturbine ausgebildete, Teilturbine (1) und eine zweite, als Niederdruckturbine ausgebildete Teilturbine (2) sowie einen Generator (3), wobei die zweite Teilturbine (2) und der Generator (3) über eine erste Welle (4) miteinander verbunden sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Dampfturbinenanordnung wenigstens ein erstes Kegelradgetriebe (5), umfassend ein auf der ersten Welle (4) angeordnetes erstes Tellerrad (6) und ein auf einer zweiten Welle (7) angeordnetes erstes Ritzel (8), aufweist und wobei die zweite Welle (7) mit der erste Teilturbine (1) verbunden ist, so dass die erste Teilturbine (1) ihre Leistung über das erste Kegelradgetriebe (5), an die erste Welle (4) überträgt.
  2. Dampfturbinenanordnung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Dampfturbinenanordnung eine dritte, als Mitteldruckturbine ausgebildete Teilturbine (9) aufweist, wobei das erste Kegelradgetriebe (5), ein weiteres auf einer dritten Welle (10) angeordnetes zweites Ritzel (11) aufweist, und wobei die dritte Welle (10) mit der dritten Teilturbine (9) verbunden ist, so dass die dritte Teilturbine (9) ihre Leistung über das erste Kegelradgetriebe (5), an die erste Welle (4) überträgt.
  3. Dampfturbinenanordnung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Dampfturbinenanordnung eine dritte, als Mitteldruckturbine ausgebildete Teilturbine (9) sowie ein zweites Kegelradgetriebe (12), umfassend ein auf der ersten Welle (4) angeordnetes zweites Tellerrad (13) und ein auf der dritten Welle (10) angeordnetes drittes Ritzel (14), aufweist und wobei die dritte Welle (10) mit der dritten Teilturbine (9) verbunden ist, so dass die dritte Teilturbine (9) ihre Leistung über das zweite Kegelradgetriebe (12), an die erste Welle (4) überträgt.
  4. Dampfturbinenanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Achswinkel ∑ zwischen der ersten Welle (4) und der zweiten Welle (7) und/oder der Achswinkel ∑ zwischen der ersten Welle (4) und der dritten Welle (10) kleiner als 90°, vorzugsweise kleiner als 50° ist.
  5. Dampfturbinenanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das wenigstens ein Tellerrad (6, 13) und/oder wenigstens ein Ritzel (8, 11, 14) in axialer Richtung zur jeweiligen Welle (4, 7, 10) verschiebbar angeordnet sind.
  6. Dampfturbinenanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Übersetzungsverhältnisse der Kegelradgetriebe (5, 12) kleiner als 4 vorzugsweise kleiner als 3 sind.
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