WO1997044568A1 - Turbinenwelle sowie verfahren zur kühlung einer turbinenwelle - Google Patents

Turbinenwelle sowie verfahren zur kühlung einer turbinenwelle Download PDF

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WO1997044568A1
WO1997044568A1 PCT/DE1997/000970 DE9700970W WO9744568A1 WO 1997044568 A1 WO1997044568 A1 WO 1997044568A1 DE 9700970 W DE9700970 W DE 9700970W WO 9744568 A1 WO9744568 A1 WO 9744568A1
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turbine
turbine shaft
steam
shaft
cavity
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PCT/DE1997/000970
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French (fr)
Inventor
Armin Drosdziok
Axel Remberg
Ernst-Erich MÜHLE
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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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
    • F01D3/00—Machines or engines with axial-thrust balancing effected by working-fluid
    • F01D3/02—Machines or engines with axial-thrust balancing effected by working-fluid characterised by having one fluid flow in one axial direction and another fluid flow in the opposite direction
    • 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
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/08—Heating, heat-insulating or cooling means
    • F01D5/081—Cooling fluid being directed on the side of the rotor disc or at the roots of the blades
    • F01D5/084—Cooling fluid being directed on the side of the rotor disc or at the roots of the blades the fluid circulating at the periphery of a multistage rotor, e.g. of drum type

Definitions

  • the invention relates to a turbine shaft, which is directed along a main axis and has an inflow region for fluid, to which at least two recesses spaced apart from one another for receiving at least one respective turbine blade adjoin in the axial direction.
  • the invention further relates to a method for cooling an inflow region of a turbine shaft arranged in a turbine, in particular a steam turbine.
  • DE 32 09 506 AI deals with an axially loaded steam turbine, in particular in a double-flow version.
  • an annular channel is formed between the shaft and an annular shaft shield.
  • the shaft has a rotationally symmetrical depression in the area of the steam inflow. In this recess partially protrudes the Nng-shaped wave shield, which over the first
  • Stator blade rows connected to the housing of the turbine and carried by this.
  • the shaft shielding has passages for steam discharge, which are arranged centrally to the inflow area and between the first guide vanes and tangentially into the gap between the rotating ones
  • DE 34 06 071 AI shows an annular shaft shield, which is arranged between the two rings of the first rows of guide vanes.
  • the shaft shielding shields the outer circumference or the surface of the turbine shaft from the live steam. Upstream of the rings, the shaft shield has inlets through which a partial flow of live steam, throttled, reaches a gap between the shaft shield and the turbine shaft. The inlets are like this inclined that the live steam receives a flow component in the circumferential direction of the turbine shaft.
  • Auxiliary guide vanes or auxiliary rotor blades can be provided on the inner circumference of the shaft shield and on the turbine shaft.
  • the object of the invention is to provide a turbine shaft which can be cooled in a region which is subject to high thermal stress, in particular an inflow region for action fluid.
  • a further object of the invention is to provide a method for cooling a turbine shaft arranged in a turbine, in particular an inlet area of the turbine shaft.
  • the object directed to a turbine shaft is achieved by a turbine shaft which is directed along a main axis, an inflow region for action fluid, at least two recesses axially spaced apart from one another and recesses for receiving at least one respective turbine blade and one for the inflow region has a richly assigned cavity, which is connected to a feed line and a discharge line of a partial flow of the action fluid as a cooling fluid.
  • the feed line leads preferably downstream of a first recess from the shaft surface into the cavity, and the discharge line leads from the cavity to the shaft surface downstream of a second recess. This second recess is further downstream than the first recess. This ensures that in the area of the second recess both a lower pressure than O 97/44568 PO7DE97 / 00970
  • the cavity is preferably rotationally symmetrical to the shaft axis.
  • the cooling of the shaft material significantly increases the load-bearing capacity of the shaft material and thus a more rational construction, e.g. the use of conventional, low-cost shaft materials also in the area of very high steam inlet temperatures.
  • this can be a partial flow of already cooled action fluid, in particular steam, supplied to the turbine shaft in the inflow region.
  • the cooling fluid used for cooling is heated in the cavity by heat transfer. If the cooling fluid corresponds to the action fluid for operating the turbine in which the turbine shaft is arranged, the cavity constitutes an intermediate superheater.
  • the cooling fluid superheated therein can be returned to the turbine, in particular the steam turbine, at a suitable point (as the action fluid ) are supplied or by a
  • the inflow region is preferably arranged along the main axis in the central region of the turbine shaft.
  • the inflow area also serves a division of the inflowing action fluid that drives the turbine.
  • the cavity is preferably deeply turned in the radial direction and lies in the axial direction between the respective first rows of moving blades.
  • the inflow region lies in an end region of the turbine shaft, with the discharge leading through the housing according to the invention, for example back into the steam flow region, namely downstream of the first recess.
  • This also ensures a pressure and / or temperature difference between the inlet of the inlet and the outlet of the outlet.
  • the discharge line can also lead to a tap, so that the cooling fluid flowing out of the cavity can be drawn off directly from the steam turbine.
  • the end region is preferably designed as a piston with an enlarged diameter.
  • This piston has a seal that seals the steam flow area between the turbine shaft and the housing of the turbine.
  • the cavity is preferably formed between the recess for the first row of blades and the piston.
  • the lead preferably leads from the cavity into the piston and opens there in the area of the seal.
  • the feed line and / or the discharge line preferably have a largely axial bore and a largely radial bore.
  • the radial bore leads from the shaft surface m into the turbine shaft and merges into the axial bore, which extends from the cavity in the axial direction.
  • the diameters of the supply and discharge lines are adapted to the corresponding steam conditions and the desired cooling.
  • the size of the cavity is correspondingly adapted to the required cooling capacity.
  • the cavity is preferably closed by a cover which is rotationally symmetrical, in particular, with respect to the shaft axis and which also serves as a flow deflection element can.
  • the cover is preferably welded to the turbine shaft, thereby ensuring that cooling fluid and action fluid are guided separately from one another in the inflow area. Flow losses due to mixing are thus avoided.
  • the cooling fluid in the cavity is not in direct contact with the hot action fluid which hits the outer surface of the cover, which is in particular vapor with a supercritical vapor state.
  • the cover serves as a heat exchanger, so that heat is transferred from the turbine shaft to the cooling fluid both via the cover and via the walls of the cavity.
  • the turbine shaft with cooling in the inflow region of hot action fluid is particularly suitable in a steam tower which is subjected to a supercritical steam state.
  • the steam turbine can be a two-flow medium-pressure partial turbine or a single-flow steam turbine.
  • the steam turbine can already be cooled by supplying fresh steam behind the first row of moving blades in such a way that safe operation of the turbine shaft in steam conditions with temperatures above 550 ° C. is ensured.
  • the turbine shaft arranged on a method for cooling an inflow area in a turbine, in particular a steam turbine, is solved according to the invention by flowing action fluid, in particular steam with a supercritical vapor state, as cooling fluid into a cavity assigned to the inflow area downstream of a first row of blades is led out of the turbine shaft via a discharge line.
  • action fluid in particular steam with a supercritical vapor state
  • the partial flow of the action fluid serving as cooling fluid is taken from the inflow area at a first pressure level m and at a second pressure level m lower than the first pressure level, pressure level led out of the turbine shaft.
  • This cooling can be constructed in a structurally simple manner by forming a corresponding cavity, for example by deep turning, with the associated discharge and supply line. Possible influences by the formation of the cavity with regard to the thermo-mechanical properties of the turbine shaft are more than compensated for by the cooling that is carried out.
  • the turbine shaft with cooling of the inflow area is therefore also particularly suitable for steam with a supercritical steam state at temperatures of over 550 ° C.
  • the cooling fluid is discharged from the turbine shaft, in particular in the case of a double-flow medium-pressure partial tower which is steamed, downstream of a second row of rotor blades, which is arranged further downstream than the first row of rotor blades. Since there is a pressure and / or temperature gradient between the inflow into the supply line and the outflow from the discharge line, the flow of the cooling fluid through the cavity is maintained without any compulsory measures.
  • the cooling fluid is led out of the cavity via an end region of the turbine shaft through the discharge line m into the housing surrounding the turbine shaft.
  • the cooling fluid can be introduced directly (as an action fluid) into a steam tap between the housing and the turbine shaft into a tap or downstream of the guide blade row lying further downstream than the first rotor blade row.
  • the partial flow discharged from the steam flow driving the turbine shaft is thus made usable again, so that at most there is a slight influence on the efficiency of the turbine.
  • the cooling fluid flowing into the cavity is heated - the cavity thus acts as an intermediate superheater - an increase in efficiency can even be achieved if necessary.
  • a volume flow of steam of 1% to 4%, in particular 1.5 to 3%, of the total live steam volume flow which drives the turbine shaft is preferably fed to the cavity.
  • the amount of steam supplied for cooling depends on individual parameters, such as steam conditions, materials used and the size of the steam turbine system.
  • FIG. 1 shows a section of a longitudinal section through a double-flow medium pressure partial tower
  • FIG. 2 shows a longitudinal section of a single-flow medium-pressure steam turbine.
  • a turbine shaft 1 shows a section of a longitudinal section through a double-flow medium-pressure partial tower 15 of a steam turbine system.
  • a turbine shaft 1 is arranged in a housing 19.
  • the turbine shaft 1 extends along a main axis 2 and has in its central region 10 an inflow region 3 for action fluid 4a, in particular steam with a supercritical steam state.
  • the housing 19 has a steam inlet 22 assigned to the inflow region 3, so that steam flows between the housing 19 and the turbine shaft 1.
  • the steam is divided into two partial flows in the inflow region 3, as shown by flow arrows.
  • the steam turbine 15 has a preferably deep-turned cavity 7 arranged in its central region 10. This cavity 7 is closed on its side facing the steam inlet 22 by a cover 11, which is welded to the turbine shaft 1.
  • the lid 11 is curved in the direction of the Dampfemt ⁇ ttes 22, so that the division of the steam 4a into two partial steam streams is thereby supported.
  • the turbine shaft 1 has, in the axial direction, recesses 5a and 5b which adjoin the Emström region 3 and are spaced apart from one another. These recesses 5a, 5b serve to accommodate turbine blades 6a, 6b, which each form a row of blades 16 and 17, respectively. For the sake of clarity, further recesses and rotor blades arranged therein are not shown.
  • a corresponding row of guide blades 21 is provided on the housing 19. Downstream of the first recess 5a of the partial steam flow flowing to the right in FIG.
  • a substantially radial bore 14 leading into the interior of the turbine shaft 1 is shown.
  • This bore 14 m m an axial bore 13, which opens into the cavity 7.
  • the two bores 14 and 13 form a feed line 8 which connects the shaft surface 12 to the cavity 7 in terms of flow technology.
  • a further axial bore 13 leads from the cavity 7, into the turbine shaft 1 on the side of the cavity 7 opposite the feed line 8.
  • This axial bore 13 merges into an essentially radial bore 14 which opens at the shaft surface 12 downstream of a second recess 5b.
  • the latter two bores 13 and 14 represent a discharge line 9, through which steam 4b is returned from cavity 7 into the partial steam flow deflected to the left in FIG.
  • the volume flow of steam 4b led through the inlet 8, the cavity 7 and the outlet 9 depends on the amount of heat to be dissipated, the output of the steam turbine 15 and other parameters. It can be between 1.5% and 3.0% of the total live steam volume flow. If necessary, in order to avoid asymmetrical loading of the turbine blades 6a, 6b arranged on the left and right sides of the inflow region, as a result of the steam throughput through the cavity 7, a suitable division of the entire live steam flow into two approximately equal partial flows flowing to the left or right is provided.
  • the cooling of the turbine shaft 1 in the inflow region 3 improves its thermomechanical properties and ensures that the turbine shaft 1 is stable even under high-temperature loads of over 550 ° C.
  • the steam turbine 15 has a housing 19 in which a turbine shaft 1 extending along the main axis 2 is shown. In an end region 18, the turbine shaft 1 is sealed with a shaft seal 24 with respect to the housing 19.
  • the steam 4a for driving the turbine shaft 1 is fed to the steam turbine 15 through a steam inlet 22 and flows essentially along the main axis 2 through alternately arranged rotor blade rows 16, 17 and guide blade rows 21 to an outflow nozzle 23.
  • the steam inlet 22 is connected to the steam inlet 22 an inflow region 3, which lies between the end region 18 and the first row of moving blades 16.
  • the turbine shaft 1 has a cavity 7, which is closed with a cover 11 to the inflow area 3. Downstream of the first row of rotor blades 16, a feed line 8 leads through the turbine shaft 1 to the cavity 7. From this cavity 7, a discharge line 9 leads through the turbine shaft 1 to the shaft seal 24 and from there through the housing 19 to a tap 20 Between the Most blade row 16 and the tap 20 there is a temperature and / or pressure difference, so that steam 4b flows through the feed line 8 into the cavity 7 and from there via the discharge line 9 to the tap 20 without additional coercive measures. This steam 4b absorbs heat from the turbine shaft 1 via the walls, in particular the cover 11, and thus causes cooling of the turbine shaft 1. By absorbing the heat, the steam 4b in the cavity 7 is temporarily overheated and can thus continue to be used to increase the efficiency of the entire steam process, if necessary.
  • the feed line 8 and the discharge line 9 can be constructed in a structurally simple manner as bores.
  • the invention is characterized by a turbine shaft which has a cavity in a thermally highly stressed inflow region, to which fluid for cooling can be supplied.
  • the cooling fluid supplied to the cavity is preferably branched off from the total flow of steam or gas driving the turbine shaft.
  • a fluidic connection of the cavity to areas in which different pressure and / or temperature states of the steam or gas prevail ensures a constant flow through the cavity, which is brought about without additional coercive measures.
  • a heat transfer from the turbine shaft to the cooling fluid, in particular water vapor, takes place through the walls of the cavity, as a result of which the turbine shaft is reliably cooled and the cooling fluid is reheated.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenwelle (1), welche einen Einströmbereich (3) für Fluid (4a), insbesondere Dampf, und zumindest zwei untereinander sowie von dem Einströmbereich (3) axial beabstandete Ausnehmungen (5a, 5b) zur Aufnahme zumindest einer jeweiligen Turbinenschaufel (6a, 6b) aufweist. In der Turbinenwelle (1) ist ein dem Einströmbereich (3) zugeordneter Hohlraum (7) vorgesehen, welcher mit einer Zuleitung (8) und einer Ableitung (9) für Fluid (4b) zur Kühlung der Turbinenwelle (1) verbunden ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Kühlung eines Einströmbereichs (3) einer in einer Dampfturbine (15) angeordneten Turbinenwelle (1).

Description

Beschreibung
Turbinenwelle sowie Verfahren zur Kühlung einer Turbinenwelle
Die Erfindung betrifft eine Turbinenwelle, welche entlang ei¬ ner Hauptachse gerichtet ist, und einen Einströmbereich für Fluid aufweist, an den sich in axialer Richtung zumindest zwei untereinander beabstandete Ausnehmungen zur Aufnahme zu¬ mindest einer jeweiligen Turbinenschaufel anschließen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Kühlung eines Einströmbereichs einer m einer Turbine, insbesondere einer Dampfturbine, angeordneten Turbinenwelle.
Die DE 32 09 506 AI behandelt eine axial beaufschlagte Dampf- turbine, insbesondere in zweiflutiger Ausführung. Im Bereich der Dampfeinströmung ist zwischen der Welle und einer ring¬ förmigen Wellenabschirmung ein Ringkanal gebildet. Die Welle hat im Bereich der Dampfeinströmung eine rotationssymmetri¬ sche Vertiefung. In diese Vertiefung ragt teilweise die nng- fόrmige Wellenabschirmung hinein, welche über die ersten
Leitschaufelreihen mit dem Gehäuse der Turbine verbunden und durch diese getragen ist. Die Wellenabschirmung weist zur Dampfemleitung Durchführungen auf, die zentrisch zu dem Ein¬ strömbereich und zwischen den ersten Leitschaufeln angeordnet sind und tangential in den Spalt zwischen der rotierenden
Welle und der feststehenden, vom Gehäuse getragenen Abschir¬ mung münden.
Die DE 34 06 071 AI zeigt eine ringförmige Wellenabschirmung, die zwischen den beiden Kränzen der ersten Leitschaufelreihen angeordnet ist. Durch die Wellenabschirmung erfolgt eine Ab¬ schirmung des Außenumfangs bzw. der Oberfläche der Turbinen¬ welle gegenüber dem Frischdampf. Die Wellenabschirmung weist stromauf der Kränze Einlasse auf, durch die ein Teilstrom des Frischdampfs gedrosselt in einen Spalt zwischen der Wellenab¬ schirmung und der Turbinenwelle gelangt. Die Einlasse sind so geneigt, daß der Frischdampf eine Stromungskomponente m Um- fangsrichtung der Turbinenwelle erhält. An dem Innenumfang der Wellenabschirmung sowie an der Turbinenwelle können Hilfs-Leit- bzw. Hilfs-Laufschaufeln vorgesehen sein.
Zur Steigerung des Wirkungsgrades einer Dampfturbine trägt die Verwendung von Dampf mit höheren Drucken und Temperaturen bei, insbesondere sogenannte überkritische Dampfzustände, mit einer Temperatur von beispielsweise über 550 °C. Die Verwen- düng von Dampf mit einem solchen Dampfzustand stellt erhöhte Anforderungen an eine entsprechend beaufschlagte Dampftur¬ bine, insbesondere an die Turbinenwelle der Dampfturbine.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Turbinenwelle anzugeben, welche in einem thermisch hoch belasteten Bereich, insbeson¬ dere einem Einstrombereich für Aktionsfluid, kύhlbar ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren zur Kühlung einer in einer Turbine angeordneten Turbinen¬ welle, insbesondere eines Emstrόmbereiches der Turbinen- welle, anzugeben.
Erfindungsgemäß wird die auf eine Turbinenwelle gerichtete Aufgabe durch eine Turbinenwelle gelöst, welche entlang einer Hauptachse gerichtet ist, einen Einstrombereich für Aktions- fluid, zumindest zwei untereinander sowie von dem Einstrombe¬ reich axial beabstandete Ausnehmungen zur Aufnahme zumindest einer jeweiligen Turbmenschaufel und einen dem Einstrόmbe¬ reich zugeordneten Hohlraum aufweist, welcher mit einer Zu¬ leitung und einer Ableitung eines Teilstroms des Aktions- fluids als Kühlfluid verbunden ist. Die Zuleitung führt vor¬ zugsweise stromab einer ersten Ausnehmung von der Wellenober¬ fläche in den Hohlraum hinein, und die Ableitung führt von dem Hohlraum an die Wellenoberflache stromab einer zweiten Ausnehmung. Diese zweite Ausnehmung liegt weiter stromab als die erste Ausnehmung. Hierdurch ist gewährleistet, daß im Be¬ reich der zweiten Ausnehmung sowohl ein geringerer Druck als O 97/44568 PO7DE97/00970
3 auch eine geringere Temperatur des Aktionsfluides vorliegt als im Bereich der ersten Ausnehmung. Wird als Kühlfluid zur Kühlung der Turbinenwelle das Aktionsfluid zum Antrieb der Turbinenwelle verwendet, so ist hierdurch gewährleistet, daß sich bereits aufgrund des Temperatur- und/oder Druckgradien¬ ten eine Strömung durch den Hohlraum hinweg ausbildet. Der Hohlraum ist vorzugsweise zur Wellenachse rotationssyτnme- trisch.
Durch die Kühlung des Wellenwerkstoffs wird eine deutliche Erhöhung der Tragfähigkeit desselben bewirkt und damit eine rationellere Bauweise, z.B. der Einsatz konventioneller, ko¬ stengünstiger Wellenwerkstoffe auch im Bereich sehr hoher Dampfeintrittstemperaturen, ermöglicht .
Bei einer Beaufschlagung der Turbinenwelle mit Aktionsfluid, insbesondere Dampf eines überkritischen Dampfzustandes, ist durch Zuführung von Kühlfluid in den Hohlraum hinein eine Kühlung der Turbinenwelle in dem Einströmbereich erreicht. Das Kühlfluid, welches zur Kühlung der Turbinenwelle dem
Hohlraum zugeführt wird, kann hierbei ein Teilstrom von be¬ reits abgekühltem der Turbinenwelle m dem Einströmbereich zugeführtem Aktionsfluid, insbesondere Dampf, sein. In dem Hohlraum wird das zur Kühlung verwendete Kühlfluid durch Wär- meübertragung erhitzt. Entspricht das Kühlfluid dem Aktions¬ fluid zum Betrieb der Turbine, in welcher die Turbinenwelle angeordnet ist, so stellt der Hohlraum einen Zwischenüberhit¬ zer dar. Das darin zwischenüberhitzte Kühlfluid kann der Tur¬ bine, insbesondere der Dampfturbine, an geeigneter Stelle wieder (als Aktionsfluid) zugeführt werden oder durch eine
Anzapfung aus dieser heraus geführt werden.
Bei einer Turbinenwelle für eine zweiflutige Turbine, insbe¬ sondere Mitteldruck-Dampfturbine, ist der Einströmbereich vorzugsweise entlang der Hauptachse im Mittelbereich der Tur¬ binenwelle angeordnet. Der Einströmbereich dient zusätzlich einer Teilung des einströmenden, die Turbine antreibenden, Aktionsfluides . Der Hohlraum ist in radialer Richtung, vor¬ zugsweise tiefgedreht und liegt in axialer Richtung zwischen den jeweils ersten Laufschaufelreihen.
Bei einer einflutigen Turbine liegt der Einströmbereich in einem Endbereich der Turbinenwelle, wobei erfindungsgemäß die Ableitung durch das Gehäuse hindurchführt, beispielsweise in den DampfStrömungsbereich zurück und zwar stromab der ersten Ausnehmung. Hierdurch ist ebenfalls ein Druck- und/oder Tem¬ peraturunterschied zwischen Eingang der Zuleitung und Ausgang der Ableitung gewährleistet. Die Ableitung kann ebenfalls zu einer Anzapfung führen, so daß das aus dem Hohlraum ausströ¬ mende Kühlfluid unmittelbar aus der Dampfturbine abgezogen werden kann. Der Endbereich ist vorzugsweise als ein Kolben mit vergrößertem Durchmesser ausgebildet. Dieser Kolben weist eine Dichtung auf, die den DampfStrömungsbereich zwischen Turbinenwelle und Gehäuse der Turbine abdichtet. Der Hohlraum ist hierbei vorzugsweise zwischen der Ausnehmung für die er- ste Laufschaufelreihe und dem Kolben ausgebildet. Die Ablei¬ tung führt vorzugsweise von dem Hohlraum in den Kolben hinein und mündet dort im Bereich der Dichtung.
Vorzugsweise weist die Zuleitung und/oder die Ableitung eine weitgehend axiale Bohrung und eine weitgehend radiale Bohrung auf. Die radiale Bohrung führt von der Wellenoberfläche m die Turbinenwelle hinein und geht in die axiale Bohrung über, welche sich von dem Hohlraum in axialer Richtung erstreckt. Durchmesser der Zu- und Ableitung sind jeweils den entspre- chenden Dampfzuständen und der gewünschten Kühlung angepaßt.
Entsprechend ist die Größe des Hohlraums an die erforderliche Kühlleistung angepaßt.
Der Hohlraum ist vorzugsweise durch einen, insbesondere zur Wellenachse rotationssymmetrischen, Deckel verschlossen, wel¬ cher gleichzeitig auch als Strömungsumlenkungselement dienen kann. Der Deckel ist vorzugsweise mit der Turbinenwelle ver¬ schweißt, wodurch sichergestellt ist, daß Kühlfluid und Akti¬ onsfluid in dem Einstrόmbereich getrennt voneinander geführt werden. Strömungsverluste infolge einer Durchmischung sind somit vermieden. Das Kühlfluid steht in dem Hohlraum in kei¬ nem unmittelbaren Kontakt mit dem an der Außenoberfläche des Deckels auftreffenden heißen Aktionsfluid, welches insbeson¬ dere Dampf mit einem überkritischen Dampfzustand ist. Der Deckel dient als Wärmeübertrager, so daß Wärme von der Turbi- nenwelle sowohl über den Deckel als auch über die Wandungen des Hohlraums an das Kühlfluid übertragen wird.
Die Turbinenwelle mit einer Kühlung im Einströmbereich von heißem Aktionsfluid eignet sich besonders in einer Dampftur- bme, welche mit Dampf mit einem überkritischen Dampfzustand beaufschlagt wird. Die Dampfturbine kann hierbei eine zwei- flutige Mitteldruck-Teilturbine oder eine einflutige Dampf¬ turbine sein. Die Dampfturbine ist bereits durch Zuführung von Frischdampf hinter der ersten Laufschaufelreihe so kühl- bar, daß ein sicherer Betrieb der Turbinenwelle bei Dampfzu¬ ständen mit Temperaturen über 550 °C gewährleistet ist.
Die auf ein Verfahren zur Kühlung eines Einströmbereichs m einer Turbine, insbesondere einer Dampfturbine, angeordneten Turbinenwelle wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß stromab einer ersten Laufschaufelreihe Aktionsfluid, insbe¬ sondere Dampf mit einem überkritischen Dampfzustand, als Kühlfluid in einen dem Einströmbereich zugeordneten Hohlraum strömt und von dort über eine Ableitung aus der Turbinenwelle herausgeführt wird. Hierdurch wird Wärme von dem einströmen¬ den Aktionsfluid, welche an die Turbinenwelle abgegeben wurde, über die Wandungen des Hohlraums an das m den Hohl¬ raum geleitete Kühlfluid abgegeben, so daß eine Kühlung der Turbinenwelle gewährleistet ist. Der als Kühlfluid dienende Teilstrom des Aktionsfluids wird bei einem ersten Druckniveau m dem Einstrόmbereich entnommen und bei einem zweiten, ge- genüber dem ersten Druckniveau niedrigeren, Druckniveau aus der Turbinenwelle herausgeführt. Diese Kühlung ist konstruk¬ tiv einfach durch Ausbildung eines entsprechenden Hohlraumes, beispielsweise durch Tiefdrehen, mit zugehöriger Ab- und Zu- leitung herstellbar. Mögliche Beeinflussungen durch die Aus¬ bildung des Hohlraumes hinsichtlich der thermomechamschen Eigenschaften der Turbinenwelle werden durch die durchge¬ führte Kühlung mehr als kompensiert. Die Turbinenwelle mit Kühlung des Einströmbereiches eignet sich daher besonders auch für Dampf mit überkritischem Dampfzustand mit Temperatu¬ ren von über 550 °C.
Das Kühlfluid wird insbesondere bei einer mit Dampf beauf¬ schlagten zweiflutigen Mitteldruck-Teilturbme stromab einer zweiten Laufschaufelreihe, die weiter stromab als die erste Laufschaufelreihe angeordnet ist, aus der Turbinenwelle her¬ ausgeführt. Da zwischen der Einströmung in die Zuleitung und der Ausströmung aus der Ableitung ein Druck- und/oder Tempe¬ raturgradient vorherrscht, wird die Strömung des Kühlfluides durch den Hohlraum ohne Zwangsmaßnahmen aufrechterhalten.
Bei einer einflutigen Turbine, insbesondere einer Mittel¬ druck-Teilturbine, wird das Kühlfluid aus dem Hohlraum über einen Endbereich der Turbinenwelle durch die Ableitung m das die Turbinenwelle umschließende Gehäuse geführt. Hier kann das Kühlfluid unmittelbar in eine Anzapfung oder stromab ei¬ ner weiter stromab als die erste Laufschaufelreihe liegenden Leitschaufelreihe wieder (als Aktionsfluid) in die Dampfströ¬ mung zwischen Gehäuse und Turbinenwelle eingeleitet werden. Der aus dem die Turbinenwelle antreibenden Dampfstrom abge¬ führte Teilstrom wird somit erneut nutzbar gemacht, so daß allenfalls eine geringfügige Beeinflussung des Wirkungsgrades der Turbine auftritt. Da zudem das in den Hohlraum einströ¬ mende Kühlfluid aufgeheizt wird - der Hohlraum wirkt somit als Zwischenüberhitzer - ist sogar gegebenenfalls eine Wir- kungsgradsteigerung zu erreichen. Dem Hohlraum wird vorzugsweise ein Volumenstrom an Dampf von 1 % bis 4 %, insbesondere 1,5 bis 3 %, des gesamten Frisch¬ dampfvolumenstroms, welcher die Turbinenwelle antreibt, zuge- führt . Die zugeführte der Kühlung dienende Menge an Dampf hängt von Einzelparametern, wie Dampfzuständen, verwendete Materialien und Leistungsgroße der Dampfturbinenanlage, ab.
Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei- spiele werden die Turbinenwelle sowie das Verfahren zur Küh¬ lung der Turbinenwelle naher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich
FIG 1 einen Ausschnitt eines Längsschnittes durch eine zweiflutige Mitteldruck-Teilturbme und
FIG 2 einen Längsschnitt einer einflutigen Mitteldruck- Dampfturbine.
Gleiche Bezugszeichen haben in FIG 1 und FIG 2 jeweils die gleiche Bedeutung.
In FIG 1 ist ein Ausschnitt eines Längsschnittes durch eine zweiflutige Mitteldruck-Teilturbme 15 einer Dampfturbinen¬ anlage dargestellt. In einem Gehäuse 19 ist eine Turbmen- welle 1 angeordnet. Die Turbinenwelle 1 erstreckt sich ent¬ lang einer Hauptachse 2 und weist in ihrem Mitteibereich 10 einen Einströmbereich 3 für Aktionsfluid 4a, insbesondere Dampf mit einem überkritischen Dampfzustand, auf. Das Gehäuse 19 hat einen dem Einströmbereich 3 zugeordneten Dampfeintritt 22, so daß Dampf zwischen das Gehäuse 19 und die Turbinen¬ welle 1 einströmt. Der Dampf wird in dem Einströmbereich 3 in zwei Teilströme, wie durch Stromungspfeile dargestellt, ge¬ teilt. Die Dampfturbine 15 weist einen vorzugsweisen tiefge¬ drehten in ihrem Mittelbereich 10 angeordneten Hohlraum 7 auf. Dieser Hohlraum 7 ist an seiner dem Dampfeintritt 22 zu¬ gewandten Seite durch einen Deckel 11 verschlossen, welcher mit der Turbinenwelle 1 verschweißt ist. Der Deckel 11 ist in Richtung des Dampfemtπttes 22 gewölbt, so daß hierdurch die Teilung des Dampfes 4a in zwei Dampfteilströme unterstutzt wird. Die Turbinenwelle 1 weist in axialer Richtung sich an den Emströmbereich 3 anschließende und jeweils voneinander beabstandete Ausnehmungen 5a und 5b auf. Diese Ausnehmung 5a, 5b dienen der Aufnahme von Turbinenschaufeln 6a, 6b, die jeweils eine Laufschaufelreihe 16 bzw. 17 bilden. Der Über¬ sichtlichkeit halber sind weitere Ausnehmungen sowie darin angeordnete Laufschaufeln nicht dargestellt. Vor jeder Lauf- schaufelreihe 16,17 ist an dem Gehäuse 19 eine entsprechende Leitschaufelreihe 21 vorgesehen. Stromab der ersten Ausneh- mung 5a des in FIG 1 nach rechts stromenden TeildampfStromes ist eine im wesentlichen radial verlaufende in das Innere der Turbinenwelle 1 fuhrende Bohrung 14 dargestellt. Diese Boh¬ rung 14 geht m eine axiale Bohrung 13 über, welche in den Hohlraum 7 mündet. Die beiden Bohrungen 14 und 13 bilden eine Zuleitung 8, die die Wellenoberflache 12 stromungstechnisch mit dem Hohlraum 7 verbindet. Hierdurch gelangt ein Teil des Dampfes 4 entsprechend der Stromungspfeile stromab der ersten
Laufschaufelreihe 16 in den Hohlraum 7 hinein. Von dem Hohl¬ raum 7 fuhrt eine weitere axiale Bohrung 13, an der der Zu¬ leitung 8 gegenüberliegenden Seite des Hohlraums 7 in die Turbinenwelle 1 hinein. Diese axiale Bohrung 13 geht in eine im wesentlichen radiale Bohrung 14 über, welche an der Wel¬ lenoberfläche 12 stromab einer zweiten Ausnehmung 5b mündet. Letztere beiden Bohrungen 13 und 14 stellen eine Ableitung 9 dar, durch die Dampf 4b aus dem Hohlraum 7 in den gemäß FIG 1 nach links abgelenkten Dampfteilstrom zurückgeführt wird.
In dem durch den Deckel 11 abgeschlossenen Hohlraum 7 findet eine Zwischenuberhitzung des als Kühlfluid dienenden Dampfes 4b statt, wodurch neben einer Kühlung der Turbinenwelle 1 ge¬ gebenenfalls auch eine Wirkungsgraderhόhung der Dampfturbine 15 erreichbar ist. Der durch die Zuleitung 8, den Hohlraum 7 und Ableitung 9 geführte Volumenstrom an Dampf 4b hängt von der abzuführenden Wärmemenge, der Leistungsgröße der Dampf¬ turbine 15 sowie anderen Parametern ab. Er kann zwischen 1,5 % und 3,0 % des gesamten Frischdampfvolumenstroms liegen. Ge¬ gebenenfalls ist um eine unsymmetrische Beaufschlagung der linksseitig und rechtsseitig des Einstrδmbereiches angeordne¬ ten Turbinenschaufeln 6a, 6b infolge des Dampfdurchsatzes durch den Hohlraum 7 zu vermeiden, eine geeignete Aufteilung des gesamten FrischdampfStromes in zwei annähernd gleiche nach links bzw. rechts strömende Teilströme vorgesehen. Durch die Kühlung der Turbinenwelle 1 in dem Einströmbereich 3 wer¬ den deren thermomechanische Eigenschaften verbessert und eine Beständigkeit der Turbinenwelle 1 auch bei Hochtemperaturbe¬ lastungen von über 550 °C sichergestellt.
In FIG 2 ist in einem Längsschnitt eine einflutige Mittel¬ druck-Dampfturbine 15 dargestellt, wobei der Übersichtlich¬ keit halber lediglich der oberhalb einer Hauptachse 2 lie¬ gende Teil gezeigt ist. Die Dampfturbine 15 hat ein Gehäuse 19, in dem sich eine entlang der Hauptachse 2 erstreckende Turbinenwelle 1 dargestellt ist. In einem Endbereich 18 ist die Turbinenwelle 1 mit einer Wellendichtung 24 gegenüber dem Gehäuse 19 abgedichtet. Der Dampf 4a zum Antrieb der Turbi¬ nenwelle 1 wird durch einen Dampfeintritt 22 der Dampfturbine 15 zugeführt und strömt im wesentlichen entlang der Hauptachse 2 durch alternierend angeordnete Laufschaufelrei¬ hen 16,17 und Leitschaufelreihen 21 zu einem Abströmstutzen 23. An den Dampfeintritt 22 schließt sich ein Einströmbereich 3 an, der zwischen dem Endbereich 18 und der ersten Lauf¬ schaufelreihe 16 liegt. In diesem Einströmbereich 3 weist die Turbinenwelle 1 einen Hohlraum 7 auf, welcher mit einem Dek- kel 11 zu dem Einstrόmbereich 3 hin verschlossen ist. Stromab der ersten Laufschaufelreihe 16 führt eine Zuleitung 8 durch die Turbinenwelle 1 hindurch zu dem Hohlraum 7. Von diesem Hohlraum 7 führt eine Ableitung 9 durch die Turbinenwelle 1 hindurch zu der Wellendichtung 24 und von dort durch das Ge¬ häuse 19 hindurch zu einer Anzapfstelle 20. Zwischen der er- sten Laufschaufelreihe 16 und der Anzapfstelle 20 liegt ein Temperatur und/oder Druckunterschied vor, so daß Dampf 4b ohne zusätzliche Zwangsmaßnahmen durch die Zuleitung 8 in den Hohlraum 7 und von dort über die Ableitung 9 zur Anzapfstelle 20 strömt. Dieser Dampf 4b nimmt über die Wandungen, insbe¬ sondere den Deckel 11, Wärme von der Turbinenwelle 1 auf, und bewirkt somit eine Kühlung der Turbinenwelle 1. Durch die Aufnahme der Wärme wird der Dampf 4b in dem Hohlraum 7 zwi¬ schenüberhitzt und kann somit weiterhin für den gesamten Dampfprozeß gegebenenfalls wirkungsgradsteigernd verwendet werden. Die Zuleitung 8 sowie die Ableitung 9 können kon¬ struktiv einfach als Bohrungen ausgeführt sein.
Die Erfindung zeichnet sich durch eine Turbinenwelle aus, welche in einem thermisch hoch belasteten Einströmbereich ei¬ nen Hohlraum aufweist, dem Fluid zur Kühlung zuführbar ist. Vorzugsweise ist das dem Hohlraum zugeführte Kühlfluid aus dem die Turbinenwelle antreibenden Gesamtstrom von Dampf oder Gas abgezweigt. Durch eine strömungstechnische Anbindung des Hohlraums an Bereiche, in denen unterschiedliche Druck- und/ oder Temperaturzustände des Dampfes oder des Gases vorherr¬ schen, ist ein stete ohne zusätzliche Zwangsmaßnahmen hervor¬ gerufene Strömung durch den Hohlraum gewährleistet. Durch die Wandungen des Hohlraums findet ein Wärmeübergang von der Tur- binenwelle auf das der Kühlung dienende Fluid, insbesondere Wasserdampf, statt, wodurch eine sichere Kühlung der Turbi¬ nenwelle sowie eine Zwischenüberhitzung des Kühlfluides er¬ folgt.

Claims

Patentansprüche
1. Turbinenwelle (1) , die sich entlang einer Hauptachse (2) erstreckt, mit einem Einströmbereich (3) für Aktionsfluid (4a) , zumindest zwei untereinander sowie von dem Einström¬ bereich (3) axial beabstandete Ausnehmungen (5a, 5b) zur Auf¬ nahme zumindest einer jeweiligen Turbinenschaufel (6a, 6b) und einen dem Einströmbereich (3) zugeordneten Hohlraum (7) , wel¬ cher mit einer Zuleitung (8) und einer Ableitung (9) eines Teilstroms des Aktionsfluids als Kühlfluid (4b) verbunden ist, wobei die Zuleitung (8) stromab einer ersten Ausnehmung (5a) und die Ableitung (9) stromab einer weiter stromab ange¬ ordneten Ausnehmung (5b) an der Wellenoberfläche (12) mündet.
2. Turbinenwelle (1) nach Anspruch 1, bei der der Einström¬ bereich (3) zur Fluidstromteilung in Richtung der Hauptachse (2) in ihrem Mittelbereich (10) angeordnet ist.
3. Turbinenwelle (1) nach Anspruch 1 oder 2 in einer Dampf- turbine (15) , insbesondere einer zweiflutigen Mitteldruck- Teilturbine.
4. Turbinenwelle (1) nach Anspruch 3, bei der die Zuleitung (8) stromab einer ersten Laufschaufelreihe (16) und die Ab- leitung (9) stromab einer zweiten Laufschaufelreihe (17) , die stromab der ersten Laufschaufelreihe (16) angeordnet ist, an der Wellenoberfläche (12) mündet.
5. Turbinenwelle (1) , die sich entlang der Hauptachse (2) erstreckt und in einem Gehäuse (19) einer Dampfturbine, ins¬ besondere einer einflutigen Mitteldruck-Teilturbine, angeord¬ net ist, einen Einströmbereich (3) für Aktionsfluid (4a) , zu¬ mindest zwei untereinander sowie von dem Einströmbereich (3) axial beabstandete Ausnehmungen (5a, 5b) zur Aufnahme zumin- dest einer jeweiligen Turbinenschaufel (6a, 6b) und einen dem Einströmbereich (3) zugeordneten Hohlraum (7) aufweist, wel¬ cher mit einer Zuleitung (8) und einer Ableitung (9) eines Teilstroms des Aktionsfluids als Kühlfluid (4b) verbunden ist, wobei die Zuleitung (8) stromab einer ersten Ausnehmung (5a) an der Wellenoberfläche (12) mundet und die Ableitung (9) über einen Endbereich (18) der Turbinenwelle (1) in das Gehäuse (19) hinein und darin bis zu einem Bereich stromab einer weiter stromab angeordneten Ausnehmung (5b) geführt ist .
6. Turbinenwelle (1) nach Anspruch 5, die Ableitung (9) in eine stromab einer ersten Laufschaufelreihe (16) angeordneten
Anzapfung (20) mündet.
7. Turbinenwelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, bei der der Hohlraum (7) durch einen Deckel (11) ver- schlössen ist.
8. Turbinenwelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, bei der die Zuleitung (8) und/oder die Ableitung (9) eine weitgehend axiale Bohrung (13) und eine weitgehend ra- diale Bohrung (14) aufweist bzw. aufweisen.
9. Verfahren zur Kühlung eines Emstrόmbereichs (3) einer m einer Turbine, insbesondere einer Dampfturbine (15) , ange¬ ordneten Turbinenwelle (1) , bei der stromab einer ersten Laufschaufelreihe (16) ein Teilstrom des Aktionsfluids als
Kühlfluid (4b) entnommen wird bei einem ersten Druckniveau in einen dem Einstrombereich (3) zugeordneten Hohlraum (7) strömt und von dort über eine Ableitung (9) aus der Turbinen¬ welle (1) bei einem zweiten gegenüber dem ersteren niedrige- ren Druckniveau herausgeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem in einer Dampfturbine (15) dem Hohlraum (7) als Kühlfluid (4b) ein Volumenstrom an
Dampf von 1,0 % bis 4,0 %, insbesondere 1,5% bis 3%, des ge- samten Frischdampfvolumenstroms zugeführt wird.
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