WO1998014692A1 - Dampfturbine sowie verfahren zur kühlung einer dampfturbine im ventilationsbetrieb - Google Patents

Dampfturbine sowie verfahren zur kühlung einer dampfturbine im ventilationsbetrieb Download PDF

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WO1998014692A1
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Dietmar Bergmann
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F01K13/02—Controlling, e.g. stopping or starting
    • F01K13/025—Cooling the interior by injection during idling or stand-by

Definitions

  • the invention relates to a steam turbine with a turbine rotor directed along a main axis and surrounded by an inner casing.
  • a guide vane structure which has guide vanes and surrounds the turbine rotor in the circumferential direction, is arranged in the inner housing.
  • the invention further relates to a method for cooling a steam turbine in ventilation mode, in particular a low-pressure steam turbine.
  • the water film separates from the rear edges and forms secondary drops with a diameter of up to approximately 400 ⁇ m.
  • These detaching vapor drops can lead to material abrasion on impact with the rotor blades, especially if the drops have a diameter of the order of 50 to 400 ⁇ m (so-called drop impact erosion). To avoid this drop erosion, the water film is often sucked off directly on the guide vane surface.
  • a hollow guide vane has slots which connect its interior to the condenser of the steam turbine.
  • DE-OS 19 51 922 specifies a device for preventing droplet formation in the low pressure stages of steam turbines. Droplet formation is prevented by supplying superheated steam to the guide vanes of the last rows of guide vanes via an outer ring, which is led through the hollow guide vanes to an inner ring and is led out again via a geodetically low-lying outflow line. By supplying hot steam, the guide vanes are to be heated up to such an extent that condensation cannot take place at all.
  • a turbine blade of a steam turbine which is hollow and has an opening for discharging steam into a main steam flow, is also in the short extract to Japanese Patent Application 54-14 1908, Patents Abstracts of Japan, Jan. 18, 1980, Vol. 4.
  • EP 0 602 040 B1 and the corresponding DE 41 29 518 AI describe a method for cooling a low-pressure steam turbine in ventilation mode, the rotor of the steam turbine being rotated without being subjected to steam to be expanded.
  • a steam atmosphere prevails in a low-pressure turbine operating in ventilation mode, the static pressure of which corresponds to the pressure prevailing in the condenser connected to the low-pressure turbine.
  • the friction of the turbine blades on the steam can lead to considerable heat development, which can cause the turbine to heat up strongly, possibly even inadmissibly high.
  • cooling measures are used in which, for example, condensate is injected into the outlet of the turbine or, if the cooling capacity has to be particularly high, into the inlet of the turbine with atomization.
  • the condensate evaporates with a drop in temperature, which cools the ventilating turbine. If the injection takes place at the outlet, the cooling effect is often limited to parts of the turbine in the vicinity of the outlet; If the injection takes place at the inlet, condensate, which agglomerates in the area of the inlet, can endanger the blading of the turbine due to surge formation.
  • steam is therefore fed into the steam turbine via a tap located between the outlet and the inlet of the steam turbine.
  • the cooling in the turbine initially benefits the radially outer ends of the blades, which are most heavily loaded by the friction on the steam in the turbine.
  • the cooling effect is thus largely limited to the areas of the turbine in which it is desired.
  • the cooling of other components of the turbine, for example the turbine shaft, is avoided.
  • a tap connected to the tap is additionally supplied with condensate in addition to steam, in particular by injecting condensate into the steam line and / or into the tap line through a condensate line.
  • the condensate is preferably mixed with the steam in an atomizer nozzle and from this atomizer nozzle into the
  • Tap line injected A particularly high cooling effect is achieved by a condensate distributed in fine droplets, the droplet diameter of which is smaller than about 0.1 mm.
  • the cooling process is controlled via a temperature measuring point located between the tap and the outlet, with the steam being fed or the steam being fed in depending on the measured temperature.
  • Condensate mixture for tapping is regulated.
  • the amount of steam or steam-condensate mixture supplied to the nozzle is approximately in the order of 1% of the steam flow when the steam turbine is operating at power.
  • the steam used for cooling comes from a condensate tank, which is used for collecting, heating and degassing the condensate.
  • Steam from the condensate container to which heating steam is usually supplied for the purpose of degassing the condensate, is saturated due to the coexistence of steam and condensate, possibly even with finely divided condensate, and is therefore particularly suitable for injection into the ventilating turbine.
  • Steam can also be taken from a steam discharge line, through which the steam is guided past the low-pressure turbine during ventilation operation.
  • a steam discharge leads, for example, the steam from a high-pressure steam turbine upstream of the low-pressure steam turbine or from an arrangement of a high-pressure steam turbine and a medium-pressure steam turbine around the low-pressure steam turbine to a heating device or the like, where possibly the steam cooled and condensed.
  • the steam to be tapped can be removed from such a heating device.
  • the steam can likewise be taken directly or indirectly from a high-pressure or medium-pressure steam turbine connected upstream of the low-pressure steam turbine, for example from a preheater or the like fed by the latter.
  • a steam usually has a sufficiently high intrinsic pressure so that it can be fed into the ventilating steam turbine without separate pumps or the like.
  • the object of the invention is to provide a steam turbine which can be cooled in a ventilation operation in a simple and effective manner and / or in which condensation on guide vanes can be avoided easily and effectively, at least. can be reduced.
  • Another object of the invention is in specifying a method for cooling a steam turbine in ventilation mode.
  • the object directed to a steam turbine is achieved in that at least one guide vane of the steam turbine has a cavity which is connected to a fluid line for feeding in cooling fluid and from which at least one opening line branches off, which opens on the outer surface of the guide vane.
  • a ventilation operation In an idling and / or low-power operation (ventilation operation), the blades of the last blade rows of a low-pressure steam turbine heat up in particular.
  • a meandering flow is formed which has a low effective backflow.
  • a feed of finely atomized water or wet steam, generally cooling fluid, via the opening line into the steam turbine causes the guide and rotor blades to be cooled upstream of the outlet. Evaporation of water droplets thus results in effective cooling, in particular of the last low-pressure blade rows, which experience the greatest warming in ventilation operation.
  • the steam turbine can be switched over by switching the supply of fluid into the fluid line on the one hand by applying a hot fluid in a regular power mode
  • the opening line is preferably formed as a hole on the outer surface, in particular with an approximately circular or elliptical cross section.
  • a fluid preferably superheated steam
  • the opening line in particular a bore
  • a fluid preferably superheated steam
  • Through the Steam is fed through a large number of fine opening lines and the resulting heating of the guide vane creates a steam oster that prevents the agglomeration of large drops on the vane surface.
  • the surface area of the guide vane in particular reduces the proportion of wet steam which would otherwise be quite high, for example on the last low-pressure vane row of a low-pressure steam turbine. This at least significantly reduces the risk of drip erosion.
  • the hollow guide vane is preferably arranged in one of the last rows of guide vanes, in particular the third last, the penultimate or the last row of guide vanes.
  • the guide blades of the steam turbine are preferably connected to an outer annular space for guiding the required fluid, into which the fluid line opens.
  • the outer annular space preferably has a drainage line in its deep area.
  • the fluid line is preferably connected to the outer annular space in a geodetically high area.
  • the guide vanes are connected to an inner annular space to simplify the construction and to increase the thermomechanical stability and to guide the cooling fluid or heating fluid.
  • the hollow space of which extends from the outer annular space to the inner annular space the fluid is therefore also fed into the individual from the inner annular space and from the outer annular space
  • the steam turbine is preferably used during a power operation with a system component carrying superheated steam, for example a high pressure steam turbine, and / or during a ventilation operation with a water component, in particular condensate, or system component carrying wet steam.
  • a condenser, a preheater, a heat exchanger etc. can be connected.
  • Corresponding connecting lines between the fluid line and the corresponding system components can be switched on and off via corresponding actuators, shut-off valves. It is also possible to provide a central actuator which is connected to various supply lines for hot fluid and cooling fluid and is connected to the fluid line. Depending on the requirements, this actuator can be used to supply a fluid with a desired pressure and temperature condition to the fluid line from a supply line or a plurality of supply lines.
  • the opening line preferably opens on the suction side in the region of the leading edge on the outer surface of the guide vane, as a result of which, in ventilation mode, cooling fluid spreads from the leading edge over the entire surface of the suction side of the guide vane to the trailing edge, as it were as a cooling film.
  • the hot fluid In power mode, the hot fluid also mixes with the action steam in an area around the surface of the guide vane, which effectively prevents, or at least significantly reduces, the formation of larger condensate droplets.
  • the object directed to a method for cooling a steam turbine in ventilation operation is achieved in that a cooling fluid, in particular wet steam or condensate, is introduced into the cavity of a guide vane, said cooling fluid being passed through opening lines, in particular a large number of fine bores, on the outer surface of the Vane flows out.
  • a cooling fluid in particular wet steam or condensate
  • opening lines in particular a large number of fine bores, on the outer surface of the Vane flows out.
  • a reduction in the condensation of action steam on a guide vane of a steam turbine in power operation is possible in that in this case a hot fluid, in particular superheated steam, is supplied to the cavity of the guide vane, which flows out through opening lines on the outer surface of the vane and mixes there with the action steam and, if appropriate, on the entire outer surface of the guide vane.
  • the hot fluid heats up the guide vane and on the other hand the mixing with the action steam leads to a heating of the action steam.
  • FIG. 5 shows a cross section through a guide vane according to FIG. 4 1 schematically shows a section of a thermal power plant with a high-pressure steam turbine 17a, a low-pressure steam turbine 1, a condenser 18a and a condensate container 36; other components of the thermal power plant, for example a boiler or a generator, are not shown.
  • the components of the thermal power plant shown are connected to one another by steam connecting lines 28 or condensate lines 29.
  • a condensate pump 37 is inserted into the condensate line 29.
  • the steam connecting line 28 which is usually formed with flaps, with the aid of which the superheated steam flowing out of the high-pressure steam turbine 17a passes through a further steam connecting line 28 can be derived to a heat exchanger 31.
  • the low-pressure steam turbine 1 is not subjected to superheated steam.
  • the steam conducted past the low-pressure steam turbine 1 is condensed in the heating heat exchanger 31 and flows as condensate to the condenser container 36.
  • the low-pressure steam turbine 1 is rigidly coupled to the high-pressure steam turbine 17a, so that the rotors (not shown) of both steam turbines 1 and 17a run synchronously. If the steam flowing out of the high-pressure steam turbine 17a is guided past the low-pressure steam turbine 1, ie, it rotates at idle speed, the low-pressure steam turbine 1 occurs due to the static pressure prevailing therein, which corresponds to the pressure of the steam in the condensate container 36. Friction on.
  • a fluid line 7 is arranged between an inlet 33, which serves for the application of action steam, and an outlet 34, through which the steam expanded in the low-pressure steam turbine 1 is led to the condenser 36 is connected to a cavity 6 of a guide vane 5a (see FIG. 2, 3).
  • the condensate container 36 the condensate is heated by means of steam, which is conducted through a heating steam line 32 is supplied from the high pressure steam turbine 17a.
  • a steam space 42 filled with steam is located in the condensate container 36 above the condensate level. Steam is removed from this steam space 42 and fed to the fluid line 7 through a steam transfer line 38.
  • condensate from condensate container 36 is fed to fluid line 7 through a condensate transfer line 39.
  • a branch of the heating steam line 32 is connected to the fluid line 7 via a corresponding valve 27.
  • the steam transfer line 38 and the condensate transfer line 39 each also have a valve 27 and are connected to the fluid line 7. All valves 27 are connected to a temperature measuring point 40 in the low-pressure steam turbine 1 via a control line 41.
  • steam can be removed, for example, from the heat exchanger 31 or a preheater (not shown) associated with the high-pressure steam turbine 17a.
  • FIG. 2 shows a section through a double-flow low-pressure steam turbine 1 with a turbine rotor 3 directed along a main axis 2 and carrying the rotor blades 24.
  • the turbine rotor 3 is mounted in a turbine bearing 22 and is sealed off from the inner housing 4 of the steam turbine 1 by a rotor seal 23.
  • Alternating guide vanes 5, which are connected to the inner housing 4, and the rotor blades 24 of the rotor 3 are arranged in the axial direction.
  • the guide blades 5, in particular the guide blade 5a the last low-pressure guide vane row (guide vane structure 11) are designed, for example, as hollow guide vanes inclined in the axial direction and curved in the circumferential direction.
  • the guide vanes 5, 5a of a row of guide vanes are welded to an outer ring 12 of the inner housing 4, which is also hollow, and are welded to an inner ring 16 adjacent to and surrounding the rotor 3 and thus connected to one another.
  • the low-pressure steam turbine 1 is traversed in the axial direction by action steam 19, which is led out of the steam turbine 1 in a vertically directed manner through an exhaust pipe 20.
  • the guide vane 5a has opening lines 9b on the suction side, preferably essentially the outer annular space 12, and on the pressure side of the opening lines 9a (see FIGS. 4, 5) through which the fluid 8 flows into the flow area of the Action steam 19 can be fed.
  • FIG. 3 shows a cross section through the guide vane structure 11 of the last row of guide vanes of the steam turbine 1.
  • a fluid line 7, which can be shut off by a valve 27, opens into a geodetically high region 15 of the outer annular space 12.
  • the guide blades 5a welded to the outer annular space 15 extend radially in the direction of the main axis 2 of the turbine rotor 3. They are welded to an inner annular space 16 surrounding the turbine rotor 3.
  • Guide vane structure 11 is produced from two precisely fitting halves which are joined together at a parting joint 25.
  • a drainage line 14 is provided in the geodetically lowest region 13 of the outer annular space 12.
  • condensate and / or wet steam can be introduced into the outer annular space 12 via the fluid line 7.
  • This steam 8 passes through a cavity 6 (see FIG. 4, 5) into the guide vane 5a.
  • the cavity 6 preferably extends from the outer annular space 12 through the entire guide vane 5a along a center line 21 to the inner annular space 16.
  • opening lines 9b and 9a in particular Bores are provided which connect the cavity 6 with the outer surface 10 of the guide vane 5a.
  • the fluid 8, the wet steam and / or the condensate flows out of the guide vane 5a out of these opening lines 9a, 9b. In the ventilation mode of the steam turbine 1, this causes the outflow
  • Fluid 8 a cooling of the guide vane 5a in particular a cooling film forms over the outer surface 10.
  • superheated steam is supplied to the cavity 6 via the fluid line 7, which mixes with the action steam 19 on the outer surface 10 and, in particular if the latter is saturated steam, leads to a significant increase in the temperature of the action steam 19.
  • the supplied superheated steam heats the guide vane 5a, so that the formation of condensate droplets, in particular at the trailing edge of the guide vane 5a, is significantly reduced, if not completely avoided.
  • the invention is characterized in that guide vanes, in particular one or more of the last three rows of guide vanes of a low-pressure steam turbine, have a cavity from which opening lines lead to the surface of the respective guide vane. Cooling fluid, in particular wet steam or condensate, can be supplied to this cavity via a fluid line during a ventilation operation and superheated steam can be supplied in a power operation. In this way, cooling of the guide vane and, in power operation, heating of the guide vane and heating of the action steam while avoiding the formation of condensate on the guide vane are achieved in an effective manner by simple means in an effective manner.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dampfturbine (1), die Leitschaufeln (5) aufweist, wobei zumindest eine Leitschaufel (5a) einen Hohlraum (6) hat. Der Hohlraum (6) ist mit einer Fluidleitung (7) zur Einspeisung von Fluid (8) sowie mit Öffnungsleitungen (9a, 9b) verbunden, die an der äußeren Oberfläche (10) der Leitschaufel (5a) münden. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Kühlung der Dampfturbine (1) in einem Ventilationsbetrieb.

Description

Beschreibung
Dampfturbine sowie Verfahren zur Kühlung einer Dampfturbine im Ventilationsbetrieb
Die Erfindung betrifft eine Dampfturbine mit einem entlang einer Hauptachse gerichteten Turbinenläufer, der von einem Innengehäuse umgeben ist . In dem Innengehäuse ist eine den Turbinenläufer in Umfangsrichtung umgebende Leitschaufel- Struktur angeordnet, die Leitschaufeln aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Kühlung einer Dampfturbine im Ventilationsbetrieb, insbesondere einer Niederdruck-Dampfturbine .
Es ist bekannt, beispielsweise aus dem Buch „Strömungsmaschinen" von K. Menny, Teubner-Verlag, Stuttgart, 1985, Abschnitt 3.4.6 „Naßdampfstufen", daß in Dampfturbinen, insbesondere den sogenannten Naßdampfstufen, eine Kondensation des Aktionsdampfes stattfindet. Bei einer Entspannung des Dampfes in der Dampfturbine liegt bei einem Unterschreiten der Grenz- kurve zum Naßdampfgebiet, beispielsweise bei Kondensations- turbinen, ein unterkühlter Dampf vor, dessen Temperatur niedriger als die zum Dampfpunkt gehörige Sättigungstemperatur ist. Bei einer bestimmten Unterkühlung setzt eine spontane Kondensation ein, bei der kleine Nebeltröpfchen entstehen, die sich in Form eines Wasserfilms bzw. einzelner Wassersträhnen auf den Leitschaufeln absetzen können. Von deren Hinterkanten löst sich der Wasserfilm ab und bildet Sekundärtropfen mit einem Durchmesser bis zu etwa 400 μm. Diese sich ablösenden Dampftropfen können bei Aufprall auf die Lauf- schaufeln zu einem Materialabtrag führen, insbesondere dann, wenn die Tropfen einen Durchmesser in der Größenordnung von 50 bis 400 μm haben (sogenannte Tropfenschlagerosion) . Zur Vermeidung dieser Tropfenschlagerosion wird häufig der Was- serfilm direkt an der Leitschaufeloberfläche abgesaugt.
Hierzu weist eine hohle Leitschaufel Schlitze auf, die ihr Inneres mit dem Kondensator der Dampfturbine verbinden. In der DE-OS 19 51 922 ist eine Einrichtung zur Verhinderung der Tropfchenbildung in den Niederdruckstufen von Dampfturbinen angegeben. Eine Tropfchenbildung wird dadurch verhindert, daß den Leitschaufeln der letzten Leitschaufelreihen über ei- nen Außenring Heißdampf zugeführt wird, welcher durch die hohl ausgebildeten Leitschaufeln zu einem Innenring geführt und von diesem über eine geodätisch tief liegende Abströmlei- tung wieder herausgeführt wird. Durch die Zuführung von Heißdampf sollen die Leitschaufeln soweit aufgeheizt werden, daß eine Kondensation erst gar nicht stattfinden kann.
In der österreichischen Patentschrift 250 402 ist beschrieben, daß in Leitschaufeln Dampf aus vorhergehenden Stufen eingeführt und durch Schlitze in den Leitschaufein wieder in die DampfStrömung eingespeist wird. Die Vermeidung der
Bildung von Kondensat auf Leitschaufeln ist ebenfalls in der US-PS 3,306,576 behandelt, wobei Heißdampf einer hohlen Leit- schaufel zugeführt wird, und aus dieser über Bohrungen in die DampfStrömung gelangt. Der Heißdampf heizt die DampfStrömung soweit auf, daß die Sättigungstemperatur zumindest lokal überschritten ist und keine Kondensation stattfindet.
Eine Turbinenschaufel einer Dampfturbine, welche hohl ausgeführt ist und eine Öffnung zum Ableiten von Dampf in eine HauptdampfStrömung aufweist, ist ebenfalls in dem Kurzauszug zur japanischen Patentanmeldung 54-14 1908, Patents Abstracts of Japan, Jan. 18, 1980, Vol. No. 4, beschrieben.
In der EP 0 602 040 Bl sowie in der korrespondierenden DE 41 29 518 AI ist ein Verfahren zur Kühlung einer Niederdruck-Dampfturbine im Ventilationsbetrieb beschrieben, wobei der Rotor der Dampfturbine ohne Beaufschlagung mit zu entspannendem Dampf gedreht wird. In einer im Ventilationsbe- trieb arbeitenden Niederdruck-Turbine herrscht eine Dampfat- mosphäre vor, deren statischer Druck dem in dem mit der Niederdruck-Turbine verbundenen Kondensator herrschenden Druck entspricht. Die Reibung der Turbinenschaufeln an dem Dampf (Ventilation) kann zu beachtlicher Wärmeentwicklung führen, wodurch die Turbine stark, möglicherweise sogar unzulässig hoch, aufgeheizt werden kann. Um dies zu vermeiden, werden Kühlmaßnahmen angewandt, bei denen beispielsweise in den Aus- laß oder, falls die aufzuwendende Kühlleistung besonders hoch sein muß, in den Einlaß der Turbine Kondensat unter Zerstäubung eingespritzt wird. Das Kondensat verdampft unter Tempe- raturabsenkung, wodurch die ventilierende Turbine gekühlt wird. Erfolgt die Einspritzung am Auslaß, so beschränkt sich die Kühlwirkung häufig auf Teile der Turbine in der Nähe des Auslasses; erfolgt die Einspritzung am Einlaß, kann Kondensat, das sich im Bereich des Einlasses agglomeriert, durch Schwallbildung die Beschaufelung der Turbine gefährden. Gemäß der EP 0 602 040 Bl wird daher über eine zwischen dem Auslaß und dem Einlaß der Dampfturbine liegende Anzapfung Dampf in die Dampfturbine eingespeist. Auf diese Weise kommt die Kühlung in der Turbine zunächst den radial außen liegenden Enden der Schaufeln zugute, die durch die Reibung an dem in der Turbine befindlichen Dampf am höchsten belastet sind. Die Kühlwirkung ist somit weitgehend auf die Bereiche der Turbine beschränkt, in denen sie erwünscht ist. Die Abkühlung anderer Komponenten der Turbine, beispielsweise der Turbinenwelle, wird vermieden.
Einer mit der Anzapfung verbundenen Zapfleitung wird außer Dampf zusätzlich Kondensat zugestellt, insbesondere indem durch eine Kondensat-Überleitung Kondensat in die Dampf-Überleitung und/oder in die Anzapfleitung eingespritzt wird. Das Kondensat wird vorzugsweise mit dem Dampf in einer Zerstäu- berdüse gemischt und aus dieser Zerstäuberdüse in die
Zapfleitung eingespritzt. Durch ein in feine Tröpfchen verteiltes Kondensat, deren Tropfchendurchmesser kleiner als etwa 0,1 mm sind, wird eine besonders hohe Kühlwirkung erzielt. Eine Steuerung des Kühlverfahrens erfolgt über eine zwischen der Anzapfung und dem Auslaß liegende Temperaturmeß- stelle, wobei in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur die Zustellung des Dampfes, bzw. die Zustellung des Dampf- Kondensat-Gemisches zur Anzapfung geregelt wird. Die der Zapfleitung zugeführte Menge an Dampf bzw. Dampf-Kondensat- Gemisch liegt etwa in der Größenordnung von 1 % des Dampf- Stroms bei Leistungsbetrieb der Dampfturbine . Der zur Kühlung verwendete Dampf stammt aus einem Kondensatbehälter, welcher der Sammlung, Aufwärmung und Entgasung des Kondensats dient. Dampf aus dem Kondensatbehälter, dem in der Regel zum Zwecke der Entgasung des Kondensats Heizdampf zugeführt wird, ist aufgrund der Koexistenz von Dampf und Kondensat gesättigt, eventuell sogar mit fein verteiltem Kondensat versetzt, und eignet sich daher besonders zur Einspritzung in die ventilierende Turbine. Weiterhin kann Dampf einer Dampf-Ableitung entnommen werden, durch die beim Ventilationsbetrieb der Dampf an der Niederdruck-Turbine vorbei geleitet wird. Eine solche Dampf-Ableitung führt beispielsweise den Dampf von einer der Niederdruck-Dampfturbine vorgeschalteten Hochdruck- Dampfturbine bzw. von einer Anordnung aus einer Hochdruck- Dampfturbine und einer Mitteldruck-Dampfturbine um die Niederdruck-Dampfturbine herum zu einer Heizeinrichtung oder dergleichen, wo möglicherweise der Dampf abgekühlt und kondensiert wird. Zum Erhalt eines Dampf-Kondensat-Gemisches kann der der Anzapfung zuzustellende Dampf einer solchen Heizeinrichtung entnommen werden. Der Dampf kann ebenfalls einer der Niederdruck-Dampfturbine vorgeschalteten Hochdruck- oder Mitteldruck-Dampf urbine direkt oder indirekt, beispielsweise einem von dieser gespeisten Vorwärmer oder dergleichen, entnommen werden. Ein solcher Dampf hat üblicherweise einen hinreichend hohen Eigendruck, so daß ohne gesonderte Pumpen oder dergleichen eine Einspeisung in die venti- lierende Dampfturbine erfolgen kann.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Dampfturbine anzugeben, welche auf einfache und effektive Art und Weise in einem Ventilationsbetrieb kühlbar und/oder bei der eine Kondensation an Leitschaufeln einfach und wirksam vermeidbar, zumindest. verminderbar, ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Kühlung einer Dampfturbine im Venti- lationsbetrieb anzugeben.
Erfindungsgemäß wird die auf eine Dampfturbine gerichtete Aufgabe gelöst, indem zumindest eine Leitschaufel der Dampfturbine einen Hohlraum aufweist, der mit einer Fluidleitung zur Einspeisung von Kühlfluid verbunden ist und von dem zumindest eine Öffnungsleitung abzweigt, die an der äußeren Oberfläche der Leitschaufel mündet .
In einem Leerlauf- und/oder Schwachleistungsbetrieb (Ventilationsbetrieb) erwärmen sich besonders die Schaufeln der letzten Schaufelreihen einer Niederdruck-Dampfturbine. In einem solchen Ventilationsbetrieb bildet sich eine Mäanderströ- mung aus, welche eine geringe effektive Ruckströmung aufweist. Eine Einspeisung von fein zerstäubtem Wasser oder Naßdampf, allgemein Kühlfluid, über die Öffnungsleitung in die Dampfturbine hinein bewirkt stromauf des Auslasses eine Kühlung der Leit- und Laufschaufeln. Eine Verdampfung von Was- sertröpfchen bewirkt somit eine effektive Kühlung, insbesondere der letzten Niederdruckschaufelreihen, welche im Venti- lationsbetrieb die höchste Erwärmung erfahren. Die Dampfturbine kann dabei durch eine Umschaltung der Zuführung von Fluid in die Fluidleitung zum einen durch Beaufschlagung mit einem heißen Fluid in einem regulären Leistungsbetrieb zur
Vermeidung der Kondensation des Aktionsdampfes an den mit der Fluidleitung verbundenen Leitschaufeln lokal erwärmt und zum anderen durch eine Beaufschlagung mit einem Kühlfluid, beispielsweise Wasser oder Naßdampf, in einem Ventilationsbe- trieb gekühlt werden. Die Öffnungsleitung ist an der äußeren Oberfläche vorzugsweise als Loch ausgebildet, insbesondere mit einem annähernd kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt.
Durch die Öffnungsleitung, insbesondere eine Bohrung, kann über den Hohlraum ein Fluid, vorzugsweise überhitzter Dampf in den Aktionsdampfström eingespeist werden. Durch die Ein- Speisung von Dampf über eine Vielzahl feiner Öffnungsleitungen und durch eine dadurch bedingte Aufheizung der Leitschaufel wird ein Dampf olster erzeugt, das die Agglomeration von großen Tropfen auf der Schaufeloberfläche verhindert . Die Beimischung von heißem Dampf in der Umgebung der äußeren
Oberfläche der Leitschaufel verringert insbesondere den Naßdampfanteil, der beispielsweise an der letzten Niederdruck- Leitschaufelreihe einer Niederdruck-Dampfturbine ansonsten recht hoch wäre. Hierdurch wird die Gefahr von Tropfschlag- erosion zumindest deutlich verringert. Die hohle Leitschaufel ist vorzugsweise in einer der letzten Leitschaufelreihen, insbesondere der drittletzten, der vorletzten oder der letzten Leitschaufelreihe, angeordnet.
Die Leitschaufeln der Dampfturbine sind vorzugsweise mit einem Außenringraum zur Führung des jeweils erforderlichen Fluides verbunden, in den die Fluidleitung mündet. Hierdurch lassen sich auf einfache Art und Weise sämtliche Leitschau- feln einer Leitschaufelreihe mit dem Fluid bespeisen. Zur Ab- führung von Kondensationswasser hat der Außenringraum in seinem tiefliegenden Bereich vorzugsweise eine Entwässerungslei- tung. Die Fluidleitung hingegen ist vorzugsweise in einem geodätisch hochliegenden Bereich mit dem Außenringraum verbunden. Zur Konstruktionsvereinfachung und zur Erhöhung der thermomechanischen Stabilität sowie zur Führung des Kühl- fluids bzw. Heizfluids sind die Leitschaufeln mit einem In- nenringraum verbunden. Insbesondere bei Leitschaufeln, deren Hohlraum sich von dem Außenringraum zu den Innenringraum erstreckt, ist somit auch eine Zuführung des Fluides sowohl vom Innenringraum als auch vom Außenringraum in die einzelnen
Leitschaufeln hinein möglich.
Die Dampfturbine ist vorzugsweise während eines Leistungsbe- triebes mit einer Heißdampf führenden Anlagenkomponente, bei- spielsweise einer Hochdruck-Dampfturbine, und/oder während eines Ventilationsbetriebes mit einer Wasser, insbesondere Kondensat, oder Naßdampf führenden Anlagenkomponente, bei- spielsweise einem Kondensator, einem Vorwärmer, einem Wärmetauscher etc. verbindbar. Entsprechende Verbindungsleitungen zwischen der Fluidleitung und den entsprechenden Anlagenkomponenten sind über entsprechende Stellglieder, Absperrven- tile, zu- bzw. abschaltbar. Es ist ebenfalls möglich ein zentrales Stellglied vorzusehen, welches an verschiedene Zuleitungen für Heißfluid und Kühlfluid angeschlossen und mit der Fluidleitung verbunden ist. Je nach Anforderungsfall ist über dieses Stellglied aus einer Zuleitung oder mehreren Zuleitun- gen ein Fluid mit einem gewünschten Druck- und Temperaturzustand der Fluidleitung zuführbar.
Die Öffnungsleitung mündet vorzugsweise an der Saugseite im Bereich der Anströmkante an der äußeren Oberfläche der Leit- Schaufel, wodurch sich im Ventilationsbetrieb Kühlfluid von der Anströmkante über die gesamte Oberfläche der Saugseite der Leitschaufel zur Abströmkante hin, sozusagen als Kühlfilm, ausbreitet. Im Leistungsbetrieb vermischt sich das Heißfluid mit dem Aktionsdampf ebenfalls in einem Bereich um die Oberfläche der Leitschaufel herum, wodurch wirksam die Bildung größerer Kondensa tropfchen vermieden, zumindest deutlich vermindert, wird.
Die auf ein Verfahren zur Kühlung einer Dampfturbine im Ven- tilationsbetrieb gerichtete Aufgabe, wird dadurch gelöst, daß in den Hohlraum einer Leitschaufel ein Kühlfluid, insbesondere Naßdampf oder Kondensat eingeleitet wird, welches durch Öffnungsleitungen, insbesondere eine Vielzahl feiner Bohrungen, an der äußeren Oberfläche der Leitschaufel ausströmt. Dies führt besonders bei den letzten Schaufelreihen einer Niederdruck-Dampfturbine zu einer effektiven Kühlung der Schaufeln. Hinsichtlich der Durchführung des Verfahrens sei auch auf die EP 0 602 040 Bl hingewiesen. Die hohle Leitschaufel ist vorzugsweise in einer der drei letzten Leit- schaufelreihen angeordnet. Weiterhin ist eine Minderung der Kondensation von Aktions- dampf an einer Leitschaufel einer Dampfturbine im Leistungs- betrieb dadurch möglich, daß in diesem Falle dem Hohlraum der Leitschaufel ein Heißfluid, insbesondere Heißdampf, zugeführt wird, welches durch Öffnungsleitungen an der äußeren Oberfläche der Leitschaufel ausströmt und sich dort sowie gegebenenfalls an der gesamten äußeren Oberfläche der Leitschaufel mit dem Aktionsdampf vermischt . Zum einen bewirkt das Heißfluid eine Aufheizung der Leitschaufel und zum anderen führt die Vermischung mit dem Aktionsdampf zu einer Aufheizung des Aktionsdampfes. Beide Wirkungen tragen zu einer deutlichen Verminderung, wenn nicht sogar zu einer vollständigen Vermeidung, der Bildung von Kondensattröpfchen an der Leitschaufel bei. Hierdurch wird die Gefahr von Tropfenschlagerosion an stromab der Leitschaufel angeordneten Laufschaufeln praktisch eliminiert .
Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei- spiele werden die Dampfturbine, das Verfahren zur Kühlung im Ventilationsbetrieb sowie das Verfahren zur Kondensationsmin- derung im Leistungsbetrieb näher beschrieben. Es zeigen in teilweise schematischer und nicht maßstäblicher Darstellung
FIG 1 ein Kraftwerkssystem mit Niederdruck-Dampfturbine,
FIG 2 einen Längsschnitt durch eine Niederdruck-Dampfturbine,
FIG 3 einen Querschnitt durch die letzte Leitschaufelreihe einer Niederdruck-Dampfturbine,
FIG 4 eine teilweise perspektivische Ansicht einer Leitschaufel und
FIG 5 einen Querschnitt durch eine Leitschaufel gemäß FIG 4 FIG 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einer Wärmekraftanlage mit einer Hochdruck-Dampfturbine 17a, einer Niederdruck-Dampfturbine 1, einem Kondensator 18a und einem Kon- densatbehälter 36; weitere Bestandteile der Wärmekraftanlage, beispielsweise ein Kessel oder ein Generator, sind nicht dargestellt. Die dargestellten Komponenten der Wärmekraftanlage sind untereinander durch Dampf-Verbindungsleitungen 28 bzw. Kondensatleitungen 29 verbunden. In die Kondensatleitung 29 ist eine Kondensat-Pumpe 37 eingefügt. Zwischen der Hoch- druck-Dampfturbine 17a und der Niederdruck-Dampfturbine 1 befindet sich in der Dampf-Verbindungsleitung 28 ein Umschalter, der üblicherweise mit Klappen gebildet wird, mit dessen Hilfe der von der Hochdruck-Dampfturbine 17a abströmende Heißdampf durch eine weitere Dampf-Verbindungsleitung 28 zu einem Heizwärmetauscher 31 ableitbar ist. Je nach Einstellung des Umschalters 30 wird somit die Niederdruck-Dampfturbine 1 nicht mit Heißdampf beaufschlagt. Der an der Niederdruck- Dampfturbine 1 vorbeigeführte Dampf wird in dem Heizwärmetauscher 31 kondensiert und fließt als Kondensat dem Kondensa - behälter 36 zu.
Die Niederdruck-Dampfturbine 1 ist mit der Hochdruck-Dampfturbine 17a starr gekuppelt, so daß die nicht dargestellten Rotoren beider Dampfturbinen 1 und 17a synchron laufen. Wird der von der Hochdruck-Dampfturbine 17a abströmende Dampf an der Niederdruck-Dampfturbine 1 vorbeigeführt, d.h. diese rotiert im Leerlauf, so tritt in der Niederdruck-Dampfturbine 1 aufgrund des darin herrschenden statischen Druckes, der dem Druck des Dampfes in dem Kondensatbehälter 36 entspricht, Reibung auf. Zur Fluideinleitung in die Niederdruck-Dampfturbine 1 ist zwischen einem Einlaß 33, der der Beaufschlagung mit Aktionsdampf dient, und einem Auslaß 34, durch den der in der Niederdruck-Dampfturbine 1 entspannte Dampf zu dem Kondensator 36 geführt wird, eine Fluidleitung 7 angeordnet, die mit einem Hohlraum 6 einer Leitschaufel 5a (siehe FIG 2, 3) verbunden ist. In dem Kondensatbehälter 36 wird das Kondensat mittels Dampf beheizt, der durch eine Heizdampf-Leitung 32 von der Hochdruck-Dampfturbine 17a zugeführt wird. Oberhalb des Kondensatspiegels befindet sich in dem Kondensatbehälter 36 ein mit Dampf gefüllter Dampfraum 42. Diesem Dampfräum 42 wird Dampf entnommen und durch eine Dampf-Überleitung 38 der Fluidleitung 7 zugeführt . Weiterhin wird der Fluidleitung 7 durch eine Kondensat-Überleitung 39 Kondensat aus dem Kondensatbehälter 36 zugeführt. Ein Abzweig der Heizdampf-Leitung 32 ist über ein entsprechendes Ventil 27 mit der Fluidleitung 7 verbunden. Die Dampf-Überleitung 38 sowie die Kondensat- Überleitung 39 weisen jeweils ebenfalls ein Ventil 27 auf und sind mit der Fluidleitung 7 verbunden. Sämtliche Ventile 27 sind mit einer Temperaturmeßstelle 40 in der Niederdruck- Dampfturbine 1 über eine Steuerleitung 41 verbunden. Hierdurch läßt sich die Menge von eingespeistem Kondensat und Dampf aus dem Dampfraum 42 sowie Heißdampf aus der Hochdruck- Dampfturbine 17a geregelt in die Fluidleitung 7 und über die Leitschaufel 5a in die Niederdruck-Dampfturbine 1 einspeisen. Somit ist eine geregelte Kühlung der Niederdruck-Dampfturbine 1 bei Ventilationsbetrieb, ohne Arbeitsleistungsabgabe, sowie eine Zuleitung von Heißdampf in die Leitschaufel 5a zur Minderung der Kondensation von Aktionsdampf durchführbar.
Sofern kein Kondensatbehälter 36 für eine Entnahme von Dampf bzw. Kondensat zur Verfügung steht, kann Dampf beispielsweise dem Heizwärmetauscher 31 oder einem nicht dargestellten der Hochdruck-Dampfturbine 17a zugeordneten Vorwärmer entnommen werden.
FIG 2 zeigt einen Ausschnitt durch eine zweiflutige Nieder- druck-Dampf urbine 1 mit einem entlang einer Hauptachse 2 gerichteten Turbinenläufer 3, der die Laufschaufeln 24 trägt. Der Turbinenläufer 3 ist in einem Turbinenlager 22 gelagert und gegenüber dem Innengehäuse 4 der Dampfturbine 1 durch eine Lauferdichtung 23 abgedichtet. In axialer Richtung sind alternierend Leitschaufeln 5, die mit dem Innengehäuse 4 verbunden sind, und die Laufschaufeln 24 des Läufers 3 angeordnet. Die Leitschaufeln 5, insbesondere die Leitschaufel 5a der letzten Niederdruck-Leitschaufelreihe (Leitschaufelstruk- tur 11) sind beispielsweise als in axialer Richtung geneigte und in Umfangsrichtung gekrümmte Hohlleitschaufeln ausgeführt. Die Leitschaufeln 5, 5a einer Leitschaufelreihe sind an einem Außenring 12 des Innengehäuses 4, welcher ebenfalls hohl ist, verschweißt sowie mit einem dem Läufer 3 benachbarten und diesen umschließenden Innenring 16 verschweißt und somit untereinander verbunden. Die Niederdruck-Dampfturbine 1 wird in axialer Richtung von Aktionsdampf 19 durchströmt, welcher durch einen Abdampfstutzen 20 vertikal gerichtet aus der Dampfturbine 1 herausgeführt wird. Die Leitschaufel 5a weist in der Umgebung ihrer Anströmkante 26 an der Saugseite, vorzugsweise im wesentlichen dem Außenringraum 12, zugewandte Öffnungsleitungen 9b sowie an der Druckseite der Öffnungslei- tungen 9a (siehe FIG 4, 5) auf, durch die Fluid 8 in den Strömungsbereich des Aktionsdampfes 19 einspeisbar ist.
FIG 3 zeigt einen Querschnitt durch die Leitschaufelstruktur 11 der letzten Leitschaufelreihe der Dampfturbine 1. In einem geodätisch hochliegenden Bereich 15 des Außenringraums 12 mündet eine Fluidleitung 7, die mit einem Ventil 27 absperrbar ist. Die mit dem Außenringraum 15 verschweißten Leitschaufeln 5a erstrecken sich radial in Richtung zur Hauptachse 2 des Turbinenläufers 3. Sie sind mit einem den Turbi- nenläufer 3 umgebenden Innenringraum 16 verschweißt. Die
Leitschaufelstruktur 11 wird aus zwei paßgenauen Hälften, die an einer Teilfuge 25 aneinandergefügt sind, hergestellt. Im geodätisch tiefstliegenden Bereich 13 des Außenringraums 12 ist eine Entwässerungsleitung 14 vorgesehen. Während des Ven- tilationsbetriebes ist über die Fluidleitung 7 Kondensat und/oder Naßdampf in den Außenringraum 12 einleitbar. Dieser Dampf 8 gelangt über einen Hohlraum 6 (siehe FIG 4, 5) in die Leitschaufel 5a hinein. Der Hohlraum 6 erstreckt sich vorzugsweise von dem Außenringraum 12 durch die gesamte Leit- schaufei 5a entlang einer Mittellinie 21 hindurch bis zu dem Innenringraum 16. An der Saugseite und der Druckseite (siehe FIG 4, 5) sind Öffnungsleitungen 9b bzw. 9a, insbesondere Bohrungen, vorgesehen, die den Hohlraum 6 mit der äußeren Oberfläche 10 der Leitschaufel 5a verbinden. Das Fluid 8, der Naßdampf und/oder das Kondensat, strömt aus diesen Öffnungs- leitungen 9a, 9b aus der Leitschaufel 5a heraus. Im Ventila- tionsbetrieb der Dampfturbine 1 bewirkt das ausströmende
Fluid 8 eine Kühlung der Leitschaufel 5a, insbesondere bildet sich ein Kühlfilm über deren äußeren Oberfläche 10 aus. Im Leistungsbetrieb der Dampfturbine 1 wird dem Hohlraum 6 Heißdampf über die Fluidleitung 7 zugeführt, welcher sich an der äußeren Oberfläche 10 mit dem Aktionsdampf 19 vermischt und insbesondere, wenn letzterer ein Sattdampf ist, zu einer deutlichen Temperaturerhöhung des Aktionsdampfes 19 führt. Zudem bewirkt der zugeführte Heißdampf eine Erwärmung der Leitschaufel 5a, so daß eine Bildung von Kondensattröpfchen, insbesondere an der Abströmkante der Leitschaufel 5a, deutlich vermindert, wenn nicht sogar vollständig vermieden wird.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß Leitschaufeln, insbesondere einer oder mehrerer der letzten drei Leitschau- feireihen einer Niederdruck-Dampfturbine, einen Hohlraum aufweisen, von dem Öffnungsleitungen an die Oberfläche der jeweiligen Leitschaufel führen. Diesem Hohlraum ist über eine Fluidleitung während eines Ventilationsbetriebes Kühlfluid, insbesondere Naßdampf oder Kondensat, und in einem Leistungs- betrieb Heißdampf zuführbar. Hierdurch wird durch einfache Mittel auf effektive Art und Weise im Ventilationsbetrieb eine Kühlung der Leitschaufel und im Leistungsbetrieb eine Erwärmung der Leitschaufel sowie eine Erwärmung des Aktions- dampfes mit Vermeidung der Kondensatbildung an der Leitschau- fei erreicht.

Claims

Patentansprüche
1. Dampfturbine (1) mit einem entlang einer Hauptachse (2) gerichteten Turbinenläufer (3) , der von einem Innengehäuse (4) umgeben ist, in welchem Innengehäuse (4) eine den Turbinenläufer (3) in Umfangsrichtung umgebende Leitschaufelstruk- tur (11) , die Leitschaufeln (5) aufweist, angeordnet ist, wobei zumindest eine Leitschaufel (5a) einen Hohlraum (6) aufweist, der mit einer Fluidleitung (7) zur Einspeisung von Kühlfluid (8) verbunden ist und von dem zumindest eine Öffnungsleitung (9a, 9b) abzweigt, die an der äußeren Oberfläche (10) der Leitschaufel (5a) mündet.
2. Dampfturbine (1) nach Anspruch 1, wobei die Leitschaufeln (5, 5a) mit einem Außenringraum (12) verbunden sind, in den die Fluidleitung (7) mündet.
3. Dampfturbine (1) nach Anspruch 2, mit einer im geodätisch tiefstliegenden Bereich (13) des Außenringraums (12) abzwei- genden Entwässerungsleitung (14) .
4. Dampfturbine (1) nach Anspruch 2 oder 3, bei der die Fluidleitung (7) in einem geodätisch hochliegendem Bereich (15) in den Außenringraum (12) mündet.
5. Dampfturbine (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der die Leitschaufeln (5, 5a) mit einem Innenringraum (16) verbunden sind.
6. Dampfturbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Leitschaufeln (5, 5a) der Leitschaufelstruktur (11) gebogen sind, insbesondere in axialer Richtung geneigt und in Umfangsrichtung gekrümmt sind.
7. Dampfturbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die während eines Leistungsbetriebes mit einer Heißdampf führenden Anlagenkomponente (17a) und/oder während eines Venti- lationsbetriebes mit einer Wasser, insbesondere Kondensat, oder Naßdampf führenden Anlagenkomponente (18a, 18b) verbunden ist.
8. Dampfturbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der sich der Hohlraum (6) durch die gesamte Leitschaufel (5a) hindurch entlang einer von dem Innengehäuse (4) zum Turbinenläufer (3) gerichteten Mittellinie (21) erstreckt.
9. Dampfturbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Öffnungsleitung (9b) an der Saugseite im Bereich der Anströmkante (26) der Leitschaufel (5a) mündet.
10. Dampfturbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Öffnungsleitung (9a, 9b) an der äußeren Oberfläche (10) der Leitschaufel als annähernd kreisförmiges oder elliptisches Loch ausgeführt ist.
11. Verfahren zur Kühlung einer Dampfturbine (1) im Ventila- tionsbetrieb, insbesondere einer Niederdruck-Dampfturbine, mit einem entlang einer Hauptachse (2) gerichteten Turbinenläufer (3) , der von einem Innengehäuse (4) umgeben ist, in welchem Innengehäuse (4) eine den Turbinenläufer (3) in Umfangsrichtung umgebende Leitschaufelstruktur (11) , die Leit- schaufeln (5) aufweist, angeordnet ist, wobei zumindest eine Leitschaufel (5a) einen Hohlraum (6) aufweist, dem ein Fluid (8) , insbesondere Naßdampf oder Kondensat, zugeführt wird, welches durch Öffnungsleitungen (9a, 9b) an der äußeren Oberfläche (10) der Leitschaufel (5a) ausströmt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Fluid (8) einer der in Strömungsrichtung letzten Leitschaufelstrukturen (11) zugeführt wird.
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