WO2006048401A1 - Optimierte turbinenstufe einer turbinenanlage sowie auslegungsverfahren - Google Patents

Optimierte turbinenstufe einer turbinenanlage sowie auslegungsverfahren Download PDF

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turbine stage
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    • Y10T29/49316—Impeller making
    • Y10T29/4932—Turbomachine making

Definitions

  • the invention relates to a turbine of a turbine plant, in particular a 5 steam turbine of a steam turbine plant. Furthermore, the invention relates to a method for designing a turbine and a method for operating a turbine system equipped with such a turbine.
  • Such a temperature reduction measure can be, for example, to cool the blades of the turbine by means of a cooling fluid. Cooling of blades has long been known in gas turbines. However, for this purpose, on the one hand, a cooling fluid must be provided in a suitable manner, whether by external provision or by removal from one of the compressor stages of the turbine system. This leads to a deterioration of the overall efficiency of the turbine system. Also, in the case of film cooling or effusion cooling of the blades, aerodynamic losses are caused by the inflow of the cooling fluid into the main flow 0 of the turbine. Alternatively, the blades and, in some cases, the shafts of the turbine could be made of refractory materials, however, which makes the turbine very expensive to manufacture.
  • the invention aims to remedy this situation.
  • the invention is thus based on the object of specifying a turbine of the type mentioned in the introduction and a method for designing a turbine with which the disadvantages of the prior art can be reduced or avoided.
  • the invention is intended in particular to contribute to increasing the efficiency of a turbine of a turbine system, in particular of a steam turbine of a steam turbine plant.
  • the invention provides a kos ⁇ ten réelle manufacturable and efficiency-optimized turbine can be provided which can be acted upon by a high inlet temperature.
  • the inventively embodied turbine comprises at least one radial or diagonal turbine stage with a radial or diagonal inflow and an axial outflow.
  • axial outflow is also to be understood an outflow, in which the flow at the exit from the impeller of the relevant turbine stage still has a diagonal flow direction, but at which the flow is then deflected by the flow duct in the axial direction before the flow passes into a subsequent turbine stage.
  • the turbine designed according to the invention comprises at least one axial turbine stage with an axial inflow and an axial outflow.
  • Each turbine stage comprises at least one impeller.
  • a turbine stage comprises a stator and an impeller downstream of the stator in the direction of flow.
  • the inflow and outflow directions can also deviate by a tolerance angle from the radial or diagonal and the axial direction, but the primary flow direction is retained as such.
  • the at least one radial or diagonal turbine stage is arranged as a first stage of the turbine and the at least one axial turbine stage is disposed downstream of the at least one radial or diagonal turbine stage as a further stage of the turbine.
  • the at least one radial or diagonal turbine stage is designed so that it has a higher temperature resistance than the at least one axial turbine stage.
  • the turbine according to the invention is preferably designed as a high-pressure turbine, which is arranged in a turbine system directly downstream of a combustion chamber or a steam generator of the turbine system.
  • the turbine designed according to the invention can also be designed as a medium-pressure turbine or else as a low-pressure turbine, wherein then upstream of the medium-pressure turbine or the low-pressure turbine usually a reheater is arranged.
  • Strom ⁇ from the inventively constructed turbine, one or more beaue ⁇ re, trained in a conventional manner turbines can be arranged.
  • the radial or diagonal turbine stage embodied as the first stage of the turbine has a higher temperature resistance than the at least one axial turbine stage, the maximum process temperature which is present at the turbine unit during nominal operation can be higher than would be the case should the axial turbine stage form the entry turbine stage.
  • the radial or diagonal turbine stage of the turbine designed according to the invention is capable of achieving a high enthalpy conversion, with the result that the temperature of the throughflow fluid at the outlet from the radial or dia ⁇ gonal turbine stage is significantly lower than at the entry into the radial or dia ⁇ gonal turbine stage.
  • an embodiment of the first turbine stage proves to be advantageous as a radial or diagonal turbine stage also for the following reason.
  • the steady increase of the process pressure leads to small volume flows of the flow-through fluid.
  • the efficiency of a radial or diagonal turbine stage suitable for this small volume flow is comparable to the axial turbine stages suitable for this small volume flow.
  • the turbine embodied according to the invention is thus often equally good or even better than a turbine which only includes axial turbine stages.
  • the turbine designed according to the invention comprises exactly one radial or diagonal turbine stage and at least one axial turbine stage.
  • the high temperatures of the flow-through fluid primarily affect those components of the turbine stage which are directly exposed to the hot flow-through fluid.
  • these are the blades of a turbine stage as well as often the sidewalls of the flow channel, i. the hub and often the housing wall.
  • measures to increase the temperature resistance are primarily also applicable to these components of a turbine stage.
  • due to heat conduction also components that are not exposed to the hot fürströmfluid can reach very high temperatures and then also measures for increasing the temperature resistance must be taken for these components.
  • the invention can be applied to turbines and turbine plants in general.
  • the invention is particularly expediently applied to a steam turbine of a steam turbine plant.
  • Dampfturbinenanla ⁇ conditions usually have large dimensions, which would result in conventional design of the steam turbine, a significant need for high heat resistant and thus expensive material, since several axial turbine stages would have to be made of this material.
  • steam turbines were generally designed and operated in such a way that only comparatively low maximum process temperatures and simultaneously a large volume flow of flow-through fluid occurred. Due to the large volume flow, in turn, the use of a radial or diagonal turbine stage or a radial or diagonal turbine was not useful.
  • the radial or diagonal turbine stage is made of a first material and the at least one axial turbine stage is made of a second material.
  • the first material has a higher temperature resistance than the second material.
  • the radial or diagonal turbine stage spielvati be made of a high temperature nickel-base alloy, while the at least one axial turbine stage, for example, from a übli ⁇ Chen and cheaper cast steel or a nickel-chromium steel mit gerin ⁇ gerer heat resistance be made can.
  • the at least one axial turbine stage for example, from a übli ⁇ Chen and cheaper cast steel or a nickel-chromium steel mit gerin ⁇ gerer heat resistance be made can.
  • not all components of a turbine stage must always be made from the high-temperature resistant material. So it is often sufficient to produce only those components of a high temperature resistant material, which are directly exposed to the hot fürströmfluid, such as the blades and the shaft of the turbine stage.
  • the radial or diagonal turbine stage is expediently designed with a coating of a highly heat-resistant material, for example a nickel-based alloy.
  • a highly heat-resistant material for example a nickel-based alloy.
  • the radial or diagonal turbine stage is expediently made of a ceramic material or carried out with a coating of a ceramic material.
  • Ceramic materials offer the advantage that the components not only have a higher heat resistance. but that the ceramic components or coated components also have a heat-insulating effect and thus, for example, a reduced heat input into the shaft takes place via the blade roots.
  • the at least one axial turbine stage may then be made of a conventional turbine material without coating.
  • the radial or diagonal turbine stage is cooled.
  • the at least one axial turbine stage here is preferably uncooled.
  • a step load of the radial or diagonal turbine stage turbine turbine is selected so that in a nominal operation of the turbine, the flow fluid at the entrance to the radial or diagonal turbine stage has a temperature which is higher than a maximum ⁇ Permitted softening temperature of the material of the axial turbine stage, and at the outlet of the radial or diagonal turbine stage has a temperature which is equal to or less than a maximum allowable softening temperature of the material of the axial turbine stage.
  • the maximum process temperature of the turbine system can be increased up to a maximum value at which the above condition is just fulfilled. Measures to increase the temperature resistance are thus limited to the radial or diagonal turbine stage.
  • the inventive arrangement of one or more radial or diago ⁇ nal turbine stages at the turbine inlet thus provides a possibility in a cost effective manner, the maximum process temperature of the turbine system er ⁇ significantly increase.
  • the increase in the efficiency of the turbine system which can be achieved with this is only offset by the comparatively cost-effective measures for increasing the temperature stability of the radial or diagonal turbine stages.
  • the turbine is expediently designed so that a mean outlet diameter of the radial or diagonal turbine stage is equal to a mean inlet diameter of the axial turbine stage following the radial or diagonal turbine stage.
  • the radial or diagonal turbine stage and the at least one axial turbine stage are arranged on a common shaft.
  • a common arrangement of the turbine stages on a shaft is only possible if the turbine stages can be operated continuously at the same speed.
  • the radial or diagonal turbine stage is arranged on a first shaft and the at least one axial turbine stage on a second shaft, wherein the shafts via a transmission, preferably a planetary gear, are interconnected.
  • a transmission preferably a planetary gear
  • the radial or diagonal turbine stage and the at least one axial turbine stage are preferably arranged in a common housing.
  • the invention provides a method of designing a turbine.
  • the method according to the invention comprises the method steps of arranging at least one axial turbine stage downstream of a radial or diagonal turbine stage and of carrying out the radial or diagonal turbine stage with a higher temperature resistance than the at least one axial turbine stage.
  • the method according to the invention is suitable in particular for the design of the above-described turbine according to the invention.
  • a horrinas ⁇ tion of the radial or diagonal turbine stage of the turbine is selected so that in a nominal operation of the turbine, the fürströmfluid at the entrance to the radial or diagonal turbine stage has a temperature which is higher than a maximum allowable softening temperature Material of the axial turbine stage, and at the outlet of the radial or diagonal turbine stage has a temperature which is equal to or less than a maximum allowable softening temperature of the material of the axial turbine stage of the turbine.
  • the invention provides a method for operating a turbine system, wherein the turbine system comprises a steam generator and a turbine arranged downstream of the steam generator and heat is supplied to a flow-through fluid in a combustion chamber or in a steam generator.
  • the flow-through fluid is thereby heated to a temperature which is above a maximum permissible softening temperature of the material of the axial turbine stage of the turbine.
  • the flow-through fluid in the radial or diagonal turbine stage of the turbine is expanded to such an extent that the temperature of the flow-through fluid at the outlet from the radial or diagonal turbine stage is equal to or less than the softening temperature of the material of the axial turbine stage of the turbine.
  • FIG. 1 shows a high-pressure turbine known from the prior art
  • FIG. 2 shows a first turbine designed according to the invention
  • FIG. 3 shows a second turbine designed according to the invention.
  • FIG. 2 shows a first turbine designed according to the invention
  • FIG. 3 shows a second turbine designed according to the invention.
  • Figure 1 shows a known from the prior art, designed as a high-pressure turbine turbine 10 a steam turbine plant.
  • the fürströmfluid is here water vapor.
  • the steam coming from a steam generator (not shown in FIG. 1) is fed radially to the turbine 10 via a live steam pipe 31.
  • a first stator 20LE for rectification and / or for pre-swirl generation of the steam flow.
  • the vapor flow is then deflected in a deflecting section (in the region of the flow arrow 36) out of the radial flow direction (direction of the flow arrow 35) into an axial flow direction (direction of the flow arrow 37).
  • the first turbine stage 20 is designed here as a combined radial-axial turbine stage, wherein the stator 20LE in the radial inflow portion of the main steam pipe 31 and the
  • Impeller 20LA is arranged in the axially flow-through portion of the turbine designed as a high-pressure turbine 10 turbine.
  • the energy conversion takes place aus ⁇ finally in the purely axially flowed through section.
  • the amount of energy conversion is limited to the same extent as well as in the case of axial turbine stages because of the maximum flow deflection that can be achieved in axially flown wheels.
  • the steam supplied to the steam turbine now has a high or very high inlet temperature which is above the permissible softening temperature of the material usually used for blading the impellers and guide vanes, for example steel castings, then at least the flow channel forming the flow channel must and / or arranged in the flow channel Bau ⁇ parts of those turbine stages of the turbine, in the region of the steam has a temperature above the softening temperature, either made of a highly heat-resistant material or cooled in a suitable manner.
  • the first three turbine stages 20, 21 and 22 are affected.
  • both the blades of the first three turbine stages and the channel side walls of the flow channel are made of a highly heat-resistant material.
  • the hot zone boundary is marked strom ⁇ must be taken on the measures to increase the temperature resistance.
  • the shaft is made of a high temperature resistant material.
  • the steam has a temperature only downstream of the third turbine stage 22, which temperature is below the softening temperature of the material usually used for turbine components.
  • FIGS. 2 and 3 show turbines 100 designed as steam turbines according to the invention.
  • the turbines illustrated here each comprise exactly one radial turbine stage 120 with radial inflow (direction of flow arrow 135) and axial outflow (direction of flow arrow 137) ) and a plurality of axial turbine stages 121-125 each having an axial inflow and an axial outflow.
  • the radial turbine stage 120 which is designed as a first stage of the turbine, adjoins directly to the radially extending part of a live steam nozzle 131.
  • the axial turbine stages 121-125 are arranged in both exemplary embodiments immediately downstream of the radial turbine stage 120.
  • the radial turbine stages 120 shown in FIGS. 2 and 3 are each designed with a higher temperature resistance than the axial turbine stages 121-125. This is achieved, for example, by the radial turbine stage 120 each ⁇ Weil is made of a high temperature nickel-base alloy or a kerami ⁇ 's material, whereas the axial turbine stages 121 -125 are each made for example of a conventional cast steel or a nickel-chromium steel.
  • the blades of the radial turbine stage 120 could also be designed either with a heat-insulating coating or with cooling.
  • the radial turbine stages 120 shown in FIGS. 2 and 3 thus geometrically essentially replace the radial-axial turbine stage 20 from FIG. 1.
  • the temperature of the steam flow becomes lowered so far that the subsequent axial turbine stages 121-125 may be made of conventional turbine material.
  • radial and also diagonal turbine stages 120 can be loaded significantly higher and can achieve a considerably higher enthalpy conversion than axial turbine stages, only one radial turbine stage is required in the embodiments of the invention shown here in order to sufficiently lower the temperature below the softening point temperature of the material of the axial turbine stages 121-125.
  • FIG. 1 in the embodiment known from the prior art according to FIG.
  • the inlet pressure at nominal operation of the turbine at the inlet to the turbine 300 bar and the Dampf ⁇ mass flow rate is about 400 kg / s. These are typical values for modern steam turbines. If the turbine inlet temperature is now to be 620 ° C., which is a typical value for a modern, supercritical steam turbine, the following values result with the aid of the Cordier diagram if an exit temperature of 565 occurs at the exit from the radial turbine stage ° C and less should be given:
  • the radial turbine stage 120 thus configured generates a pressure drop of the steam of 300 bar at the inlet to the radial turbine stage to 217 bar at the exit from the radial turbine stage, i. the pressure ratio is around 1.4.
  • the temperature at the outlet from the radial turbine stage is about 560 ° C.
  • the rotational speed of the radial turbine stage is 50 Hz, with a mean diameter of 1120 mm and a blade width of 23 mm at the inlet and 41 mm at the exit.
  • the stator of the first axial turbine stage 121 arranged downstream of the radial turbine stage 120 can then operate with a typical axial inflow and a blade height of approximately 60 mm with an assumed flow coefficient of approximately 0.24.
  • the stator of the first axial turbine stage 121 has a mean inlet diameter which is equal to the mean outlet diameter of the impeller of the radial turbine stage 120.
  • the radial turbine stage 120 can be operated at the same speed as the axial turbine stages 121-125. This makes it possible to drive the radial turbine stage 120 and the axial turbine stages 121-125 as shown in FIG. to arrange on a common shaft 130. Also, a continuous, common housing 132 can be used here.
  • the thus designed radial turbine stage 120 generates a pressure drop of the steam flow of 300 bar at the inlet to the radial turbine stage to 145 bar at the outlet from the radial turbine stage, ie the pressure ratio is about 2.1.
  • the temperature at the exit from the radial turbine stage 120 is about 565 ° C.
  • the rotational speed of the radial turbine stage 120 is 100 Hz, with a mean diameter of DM 1120 mm and a blade width of 13 mm at the inlet and 32 mm at the outlet.
  • the stator of the first axial turbine stage 121 arranged downstream of the radial turbine stage 120 can then operate with a typical axial inflow and a blade height of approximately 100 mm with an assumed flow coefficient of approximately 0.22.
  • the stator of the first axial turbine stage 121 has a mean inlet diameter, which is equal to the average Aus ⁇ exit diameter of the impeller of the radial turbine stage 120.
  • a straight throughflow channel can be realized in the region of the transition from the radial turbine stage 120 to the first axial turbine stage 121.
  • the rotational speed of the axial turbine stages 121-125 here is only 50 Hz, while the rotational speed of the radial turbine stage 120 is 100 Hz.
  • This exemplary embodiment shows that even in the case of a very high inlet temperature at the inlet to the turbine, starting from a typical nominal operating state of a steam turbine, it is possible to provide a radial or diagonal turbine stage as the inlet stage of the steam turbine.
  • the thus designed and operating with good efficiency radial turbine stage 120 then ensures that the downstream axial turbine stages 121-125 are exposed to only significantly low temperature loads, even if the inlet temperature at the entrance to the radial turbine stage 120 very clearly is above a permissible softening temperature of the material of the axial turbine stages 121-125.
  • the hot zone boundary 140 which must be taken upstream of the measures for increasing the temperature resistance, runs here between the radial turbine stage 120 and the first axial turbine stage 121.
  • the radial turbine stage 120 and the axial turbine stages 121-125 are to be operated at different speeds, so that it is not possible here to arrange the radial turbine stage 120 and the axial turbine stages 121-125 on a common shaft.
  • the high rotational speed of the radial turbine stage 120 results from the requirement to achieve a high temperature reduction or a high enthalpy conversion in the radial turbine stage.
  • a high temperature reduction or a high enthalpy Turnover is only possible if either the radial turbine stage is designed to be rapidly rotating or, alternatively, the radial turbine stage has a very large diameter, or alternatively the blading of the turbine stage is aerodynamically very heavily loaded. The last two alternatives are unsuitable here, since a very large diameter would require very small blade widths and a very high aerodynamic loading of the blades would result in poor stool efficiency.
  • the radial turbine stage 120 rotate faster than the axial turbine stages 121-125.
  • the radial turbine stage 120 is therefore arranged on a partial shaft 130-1 and the axial turbine stages 121-125 on another partial shaft 130-11.
  • the first turbine section which includes the radial turbine stage 120
  • the second turbine section which includes the axial turbine stages 121-125, to be on separate shafts, but in a common housing 132 or Also accommodate in two separate housings.
  • the two partial waves 130-1, 130-11 shown in FIG. 3 are connected to one another via a gear, not shown in FIG.
  • the shafts can also be connected to one another via a planetary gear, wherein, for example, the partial shaft 130-1, on which the radial turbine stage 120 is arranged, the partial shaft 130-11, on which the axial turbine stages 121-125 are arranged, in the Pla ⁇ wraps around.
  • the turbines 100 shown in FIGS. 2 and 3 can be arranged as high pressure turbines of steam turbine plants, a steam generator then being arranged upstream of the fresh air stub 131.
  • FIGS. 2 and 3 can, however, also be arranged as intermediate pressure turbines of steam turbine plants, wherein a reheater is then usually arranged upstream of the fresh air outlet.
  • a reheater is then usually arranged upstream of the fresh air outlet.

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Abstract

Es wird eine Turbine (100) einer Turbinenanlage, insbesondere eine Dampfturbine einer Dampf turbinenanlage vorgestellt. Die Turbine umfasst wenigstens eine radiale oder diagonale Turbinenstufe (120) mit radialer oder diagonaler Zuströmung und axialer Abströmung sowie wenigstens eine axiale Turbinenstufe (121 - 125) mit axialer Zuströmung und axialer Abströmung. Die wenigstens eine radial e oder diagonale Turbinenstufe (120) bildet die erste Stufe der Turbine (100) un d die wenigstens eine axiale Turbinenstufe (121 - 125) ist stromab der radialen oder diagonalen Turbinenstufe (121) als weitere Stufe der Turbine angeordnet. Die wenigstens eine radiale oder diagonale Turbinenstufe (120) weist eine höhere Temperaturbeständigkeit auf als die wenigstens eine axiale Turbinenstufe (121 - 125). Die Turbine (100) ermöglicht es, die Prozesstemperatur der Dampf turbinenan läge erheblich zu erhöhen, wobei Massnahmen zur Erhöhung der Temperaturbeständig -keit nur für Bauteile der radialen oder diagonalen Turbinenstufe (120) ergriffe n werden müssen.

Description

OPTIMIERTE TURBINENSTUFE EINER TURBINENANLAGE SOWIE AUSLEGUNGSVERFAHREN
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Turbine einer Turbinenanlage, insbesondere eine 5 Dampfturbine einer Dampfturbinenanlage. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfah¬ ren zur Auslegung einer Turbine sowie ein Verfahren zum Betreiben einer mit einer solchen Turbine ausgestatteten Turbinenanlage.
Stand der Technik
0 Aufgrund der stetigen Bemühungen zur Verbesserung des Wirkungsgrades mo¬ derner Turbinenanlagen, insbesondere moderner Dampfturbinenanlagen, er¬ scheint es wünschenswert, die Prozesstemperatur der Turbinenanlagen zu erhö¬ hen. Eine Erhöhung der Prozesstemperatur wirkt sich einerseits insbesondere auf die Hochdruckturbine als auch andererseits auf die Mitteldruckturbine der Turbi- 5 nenanlage aus, die infolgedessen mit höheren Temperaturen beaufschlagt wer¬ den. Dies führt dazu, dass auch bei Dampfturbinen heutzutage bereits Tempera¬ turen erreicht werden, bei denen eine Verwendung herkömmlicher Werkstoffe ins¬ besondere für die Beschaufelung der Turbine, die Strömungskanalwände sowie für die Turbinenwelle ohne Temperaturminderungsmaßnahmen nicht mehr mög- 0 lieh ist.
Eine solche Temperaturminderungsmaßnahme kann beispielsweise darin beste¬ hen, die Schaufeln der Turbine mittels eines Kühlfluids zu kühlen. Kühlung von Schaufeln ist bei Gasturbinen bereits seit langem bekannt. Jedoch ist hierzu einer- 5 seits ein Kühlfluid in geeigneter Weise bereitzustellen, sei es durch eine externe Bereitstellung oder durch eine Entnahme aus einer der Verdichterstufen der Turbi¬ nenanlage. Dies führt zu einer Verschlechterung des Gesamtwirkungsgrades der Turbinenanlage. Auch werden im Falle einer Filmkühlung oder einer Effusions- kühlung der Schaufeln durch das Einströmen des Kühlfluids in die Hauptströmung 0 der Turbine aerodynamische Verluste verursacht. Alternativ könnten die Schaufeln und teilweise auch die Wellen der Turbine aus hochwarmfesten Werkstoffen hergestellt werden, wodurch die Turbine jedoch in der Herstellung sehr teuer wird.
Neben der Erhöhung der Prozesstemperatur wird zumeist auch eine Erhöhung des Prozessdrucks angestrebt. Durch die Erhöhung der Prozessparameter kommt es insbesondere innerhalb der ersten Turbinenstufen einer Hochdruckturbine zu nur verhältnismäßig kleinen Volumenströmen des durch die Turbine strömenden Durchströmfluids, zumeist Luft bzw. Rauchgas in Gasturbinen oder Dampf in Dampfturbinen.
Kleine Volumenströme wiederum bedingen kleine Schaufelhöhen der Turbinen¬ schaufeln bei kleinem Schaufelseitenverhältnis. Hierdurch ist es oftmals sehr schwierig, derartige Turbinenbeschaufelungen mit einem guten aerodynamischen Wirkungsgrad auszulegen.
Darstellung der Erfindung
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu- gründe, eine Turbine der eingangs genannten Art und ein Verfahren zur Ausle¬ gung einer Turbine anzugeben, mit welchen die Nachteile des Standes der Tech¬ nik gemindert oder vermieden werden.
Die Erfindung soll insbesondere dazu beitragen, den Wirkungsgrad einer Turbine einer Turbinenanlage, insbesondere einer Dampfturbine einer Dampfturbinenanla¬ ge, zu erhöhen. Gemäß einem weiteren Aspekt soll durch die Erfindung eine kos¬ tengünstig herstellbare und wirkungsgradoptimierte Turbine bereitgestellt werden, die mit einer hohen Eintrittstemperatur beaufschlagbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Turbine gemäss Anspruch 1 so¬ wie durch die Turbinenanlage gemäß dem weiteren unabhängigen Vorrichtungs- anspruch, durch das Verfahren zur Auslegung einer Turbine gemäß dem ersten unabhängigen Verfahrensanspruch sowie durch das Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäß ausgebildeten Turbinenanlage gemäß dem weiteren un¬ abhängigen Verfahrensanspruch gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäß ausgebildete Turbine umfasst wenigstens eine radiale oder diagonale Turbinenstufe mit einer radialen bzw. diagonalen Zuströmung und einer axialen Abströmung. Unter axialer Abströmung ist auch eine Abströmung zu ver- stehen, bei der die Strömung beim Austritt aus dem Laufrad der betreffenden Tur¬ binenstufe zwar noch eine diagonale Strömungsrichtung aufweist, bei der die Strömung dann aber von dem Strömungskanal in die axiale Richtung umgelenkt wird, bevor die Strömung in eine nachfolgende Turbinenstufe gelangt. Weiterhin umfasst die erfindungsgemäß ausgebildete Turbine wenigstens eine axiale Tur- binenstufe mit einer axialen Zuströmung und einer axialen Abströmung.
Jede Turbinenstufe umfasst wenigstens ein Laufrad. Üblicherweise umfasst eine Turbinenstufe ein Leitrad und ein dem Leitrad in Strömungsrichtung nachgeordne¬ tes Laufrad.
Die Zu- und Abströmrichtungen können im Rahmen der Erfindung auch jeweils um einen Toleranzwinkel von der radialen bzw. diagonalen und der axialen Richtung abweichen, wobei jedoch die vornehmliche Strömungsrichtung als solche erhalten bleibt.
Die wenigstens eine radiale oder diagonale Turbinenstufe ist als erste Stufe der Turbine angeordnet und die wenigstens eine axiale Turbinenstufe ist stromab der wenigstens einen radialen oder diagonalen Turbinenstufe als weitere Stufe der Turbine angeordnet. Die wenigstens eine radiale oder diagonale Turbinenstufe ist dabei so ausgebildet, dass sie eine höhere Temperaturbeständigkeit aufweist als die wenigstens eine axiale Turbinenstufe. Die erfindungsgemäße Turbine ist vorzugsweise als Hochdruckturbine ausgebil¬ det, die in einer Turbinenanlage unmittelbar stromab einer Brennkammer oder eines Dampferzeugers der Turbinenanlage angeordnet ist. Die erfindungsgemäß ausgebildete Turbine kann aber auch als Mitteldruckturbine oder auch als Nieder- druckturbine ausgebildet sein, wobei dann stromauf der Mitteldruckturbine oder der Niederdruckturbine üblicherweise ein Zwischenerhitzer angeordnet ist. Strom¬ ab der erfindungsgemäß ausgebildeten Turbine können eine oder mehrere weite¬ re, in herkömmlicher weise ausgebildete Turbinen angeordnet sein.
Da die als erste Stufe der Turbine ausgebildete radiale oder diagonale Turbinen¬ stufe eine höhere Temperaturbeständigkeit aufweist als die wenigstens eine axiale Turbinenstufe, kann die maximale Prozesstemperatur, die bei Nennbetrieb der Turbinenanlage am Eintritt in die Turbine vorliegt, höher sein, als dies der Fall sein dürfte, wenn die axiale Turbinenstufe die Eintrittsturbinenstufe bilden würde. Die radiale oder diagonale Turbinenstufe der erfindungsgemäß ausgeführten Turbine ist in der Lage, einen hohen Enthalpieumsatz zu bewerkstelligen mit der Folge, dass die Temperatur des Durchströmfluids am Austritt aus der radialen oder dia¬ gonalen Turbinenstufe deutlich niedriger ist als am Eintritt in die radiale oder dia¬ gonale Turbinenstufe. Mittels nur einer radialen oder diagonalen Turbinenstufe ist es somit möglich, die Temperatur des Durchströmfluids so weit abzusenken, dass stromab der radialen oder diagonalen Turbinenstufe keine Maßnahmen zur Erhö¬ hung der Temperaturbeständigkeit der Bauteile der Turbine, insbesondere der Schaufeln, mehr ergriffen werden müssen, um zu gewährleisten, dass eine maxi¬ mal zulässige Werkstofftemperatur der Bauteile der nachfolgenden Turbinenstufen nicht überschritten wird. Eine solche Maßnahme könnte beispielsweise die Verwendung von hochwarmfestem Werkstoff für die betroffenen Bauteile oder eine Kühlung der Bauteile der jeweiligen Turbinenstufe mittels eines Kühlfluids sein. Durch die Anordnung der radialen oder diagonalen Turbinenstufe als erste Stufe der Turbine müssen lediglich für die radiale oder diagonale Turbinenstufe ein oder mehrere Maßnahmen ergriffen werden, um hier die Temperaturbeständigkeit zu erhöhen. Würde die Turbine hingegen gemäß herkömmlicher Ausführung nur axiale Turbi¬ nenstufen umfassen, so wäre hier eine Mehrzahl axialer Turbinenstufen erforder¬ lich, um denselben Enthalpieumsatz und somit dieselbe Temperaturabsenkung zu bewirken, wie dies mit der nur einen radialen oder diagonalen Turbinenstufe be- wirkt wird. Demzufolge wären auch für diese Mehrzahl axialer Turbinenstufen ge¬ eignete Maßnahmen zu ergreifen, um die Temperaturbeständigkeit dieser axialen Turbinenstufen zu erhöhen, um so zu verhindern, dass eine maximal zulässige Werkstofftemperatur überschritten wird. Eine Turbine, die nur axiale Turbinen¬ stufen umfasst, ist somit bei Verwendung von hochwarmfesten Werkstoffen er- heblich teurer in der Herstellung. Werden die betroffenen Bauteile mittels eines Kühlfluids gekühlt, so sind einerseits in den Bauteilen Kühlkanäle vorzusehen. Andererseits wird der Wirkungsgrad der Turbine hierdurch verschlechtert.
Speziell bei Dampfturbinen erweist sich eine Ausführung der ersten Turbinenstufe als radiale oder diagonale Turbinenstufe auch aus dem nachfolgenden Grund als vorteilhaft. Die stetige Erhöhung des Prozessdrucks führt zu kleinen Volumen¬ strömen des Durchströmfluids. Bei kleinen Volumenströmen jedoch ist der Wir¬ kungsgrad einer für diesen kleinen Volumenstrom geeigneten radialen oder diago¬ nalen Turbinenstufe vergleichbar der für diesen kleinen Volumenstrom geeigneten axialen Turbinenstufen. In einer Gesamtwirkungsgradbilanz ist die erfindungs¬ gemäß ausgeführte Turbine somit häufig gleich gut oder sogar besser als eine Turbine, die nur axiale Turbinenstufen umfasst.
Bei besonders hohen Eintrittstemperaturen des Durchströmfluids kann es auch zweckmäßig sein, zwei oder eventuell sogar mehr radiale oder diagonale Turbi¬ nenstufen am Eintritt in die Turbine in Reihe zu schalten. Mehrere radiale oder diagonale Turbinenstufen führen aber wieder zu einer Erhöhung der Herstell¬ kosten. Auch wird hierdurch der Strömungspfad konstruktiv aufwändiger, so dass eine Lösung mit nur einer radialen oder diagonalen Turbinenstufe zu bevorzugen ist. Grundsätzlich sind bei sehr hohen Eintrittstemperaturen radiale Turbinenstufe gegenüber diagonalen Turbinenstufen zu bevorzugen, da radiale Turbinenstufen eine nochmals höhere Energieumsetzung im Vergleich zu diagonalen Turbinen¬ stufen ermöglichen.
Besonders vorteilhaft umfasst die erfindungsgemäß ausgebildete Turbine genau eine radiale oder diagonale Turbinenstufe und wenigstens eine axiale Turbinen¬ stufe.
Auch wenn im Rahmen der Beschreibung der Erfindung vereinfachend lediglich von der Turbinenstufe als Ganzes gesprochen wird, so sind von hohen Tempera- turen des Durchströmfluids primär diejenigen Bauteile der Turbinenstufe betroffen, die unmittelbar dem heißen Durchströmfluid ausgesetzt sind. Insbesondere sind dies die Schaufeln einer Turbinenstufe sowie oftmals auch die Seitenwände des Durchströmkanals, d.h. die Nabe und häufig auch die Gehäusewand. Demgemäss sind Maßnahmen zur Erhöhung der Temperaturbeständigkeit primär auch auf die- se Bauteile einer Turbinenstufe anzuwenden. Jedoch ist hierbei zu beachten, dass infolge von Wärmeleitung auch Bauteile, die nicht dem heißen Durchströmfluid ausgesetzt sind, sehr hohe Temperaturen erreichen können und dann auch für diese Bauteile ebenfalls Maßnahmen zur Erhöhung der Temperaturbeständigkeit ergriffen werden müssen.
Grundsätzlich kann die Erfindung auf Turbinen und Turbinenanlagen im Allgemei¬ nen angewendet werden. Besonders zweckmäßig wird die Erfindung jedoch auf eine Dampfturbine einer Dampfturbinenanlage angewendet. Dampfturbinenanla¬ gen weisen üblicherweise große Abmessungen auf, wodurch bei herkömmlicher Ausführung der Dampfturbine ein erheblicher Bedarf an hochwarmfestem und somit teurem Werkstoff entstünde, da mehrere axiale Turbinenstufen aus diesem Werkstoff hergestellt werden müssten. Andererseits wurden Dampfturbinen in der Vergangenheit in der Regel so ausgelegt und betrieben, dass nur vergleichsweise niedrige maximale Prozesstemperaturen bei gleichzeitig jedoch einem großen Vo- lumenstrom an Durchströmfluid auftraten. Aufgrund des großen Volumenstroms wiederum war der Einsatz einer radialen oder diagonalen Turbinenstufe oder einer radialen oder diagonalen Turbine nicht sinnvoll. Erst durch die kombinierte Erhö- hung der Prozesstemperatur und des Prozessdrucks und die hieraus resultierende Verkleinerung des Volumenstroms wird bei Dampfturbinen der Einsatz einer radialen oder diagonalen Turbinenstufe sinnvoll möglich und führt zu einer Ver¬ besserung des Gesamtwirkungsgrades und/oder zu geringeren Herstellungs- kosten sowie zu in den Abmessungen kompakteren Dampfturbinenanlagen.
Zweckmäßig ist die radiale oder diagonale Turbinenstufe aus einem ersten Werk¬ stoff und die wenigstens eine axiale Turbinenstufe aus einem zweiten Werkstoff hergestellt. Der erste Werkstoff weist eine höhere Temperaturbeständigkeit auf als der zweite Werkstoff. So kann die radiale oder diagonale Turbinenstufe bei¬ spielsweise aus einer hochwarmfesten Nickel-Basis-Legierung hergestellt sein, während die wenigstens eine axiale Turbinenstufe beispielsweise aus einem übli¬ chen und kostengünstigeren Stahlguss oder einem Nickel-Chrom-Stahl mit gerin¬ gerer Warmfestigkeit hergestellt sein kann. Wie oben bereits ausgeführt wurde, ist hierbei zu beachten, dass jedoch nicht immer alle Bauteile einer Turbinenstufe aus dem hochwarmfesten Werkstoff hergestellt sein müssen. So genügt es oftmals, nur diejenigen Bauteile aus einem hochwarmfesten Werkstoff herzustellen, die dem heißen Durchströmfluid unmittelbar ausgesetzt sind, wie beispielsweise die Schaufeln und die Welle der Turbinenstufe.
In einer alternativen oder auch ergänzenden Weiterbildung der Erfindung ist die radiale oder diagonale Turbinenstufe zweckmäßig mit einer Beschichtung aus einem hochwarmfesten Werkstoff, beispielsweise einer Nickel-Basis-Legierung, ausgeführt. Hierbei muss aber sichergestellt sein, dass der Basiswerkstoff, der unter der Beschichtung angeordnet ist und eine geringere Warmfestigkeit auf¬ weist, nicht infolge von Wärmeleitung überhitzt wird. Gegebenenfalls kann es hier erforderlich sein, diesen Werkstoff zusätzlich mittels einer Kühlung zu kühlen.
Alternativ oder auch ergänzend ist die radiale oder diagonale Turbinenstufe zweckmäßig aus einem keramischen Werkstoff hergestellt oder mit einer Be¬ schichtung aus einem keramischen Werkstoff ausgeführt. Keramische Werkstoffe bieten den Vorteil, dass die Bauteile nicht nur eine höhere Warmfestigkeit aufwei- sen, sondern dass die keramisch ausgeführten oder beschichteten Bauteile auch wärmeisolierend wirken und somit beispielsweise über die Schaufelfüße ein ver¬ minderter Wärmeeintrag in die Welle erfolgt.
Die wenigstens eine axiale Turbinenstufe kann dann aus einem gewöhnlichen Turbinenwerkstoff ohne Beschichtung hergestellt sein.
In einer alternativen oder auch ergänzenden Weiterbildung der Erfindung ist die radiale oder diagonale Turbinenstufe gekühlt. Die wenigstens eine axiale Turbi- nenstufe ist hierbei vorzugsweise ungekühlt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine Stufenbelastung der ra¬ dialen oder diagonalen Turbinenstufe der Turbine so gewählt, dass in einem Nennbetrieb der Turbine das Durchströmfluid am Eintritt in die radiale oder diago- nale Turbinenstufe eine Temperatur aufweist, die höher ist als eine maximal zu¬ lässige Erweichungstemperatur des Werkstoffs der axialen Turbinenstufe, und am Austritt der radialen oder diagonalen Turbinenstufe eine Temperatur aufweist, die gleich oder kleiner einer maximal zulässigen Erweichungstemperatur des Werk¬ stoffs der axialen Turbinenstufe ist. Umgekehrt bedeutet dies, dass die maximale Prozesstemperatur der Turbinenanlage bis zu einem Maximalwert gesteigert wer¬ den kann, bei dem die obige Bedingung gerade noch erfüllt ist. Maßnahmen zur Erhöhung der Temperaturbeständigkeit beschränken sich somit auf die radiale oder diagonale Turbinenstufe.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung einer oder mehrerer radialer oder diago¬ naler Turbinenstufen am Turbineneintritt wird somit in kostengünstiger Weise eine Möglichkeit geschaffen, die maximale Prozesstemperatur der Turbinenanlage er¬ heblich zu steigern. In einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung stehen der hiermit er¬ zielbaren Erhöhung des Wirkungsgrads der Turbinenanlage nur die vergleichs- weise kostengünstigen Maßnahmen zur Erhöhung der Temperaturbeständigkeit der radialen oder diagonalen Turbinenstufen gegenüber. Die Turbine ist zweckmäßig so ausgeführt, dass ein mittlerer Austrittsdurchmesser der radialen oder diagonalen Turbinenstufe gleich einem mittleren Eintrittsdurch¬ messer der auf die radiale oder diagonale Turbinenstufe folgenden axialen Turbi¬ nenstufe ist. Hierdurch kann der Strömungskanal zwischen der radialen Turbinen- stufe oder diagonalen und der axialen Turbinenstufe gerade ausgebildet sein.
In einer zweckmäßigen Ausführung der Erfindung sind die radiale oder diagonale Turbinenstufe und die wenigstens eine axiale Turbinenstufe auf einer gemeinsa¬ men Welle angeordnet. Eine solche gemeinsame Anordnung der Turbinenstufen auf einer Welle ist jedoch nur möglich, wenn die Turbinenstufen durchgängig mit gleicher Drehzahl betrieben werden können.
In einer hierzu alternativen Ausführung der Erfindung ist die radiale oder diagonale Turbinenstufe auf einer ersten Welle und die wenigstens eine axiale Turbinenstufe auf einer zweiten Welle angeordnet, wobei die Wellen über ein Getriebe, vorzugsweise ein Planetengetriebe, miteinander verbunden sind. Zwar ist eine solche Anordnung zweier Wellen im Vergleich zu der Anordnung nur einer Welle aufwändiger; jedoch können so unterschiedliche Drehzahlen der Turbinenstufen realisiert werden.
Weiterhin sind die radiale oder diagonale Turbinenstufe und die wenigstens eine axiale Turbinenstufe bevorzugt in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.
In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zur Auslegung einer Turbine zur Verfügung. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Verfah¬ rensschritte, wenigstens eine axiale Turbinenstufe stromab einer radialen oder diagonalen Turbinenstufe anzuordnen, und die radiale oder diagonale Turbinen¬ stufe mit einer höheren Temperaturbeständigkeit auszuführen als die wenigstens eine axiale Turbinenstufe. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbeson- dere zur Auslegung der oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Turbine. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird eine Stufenbelas¬ tung der radialen oder diagonalen Turbinenstufe der Turbine so gewählt, dass in einem Nennbetrieb der Turbine das Durchströmfluid am Eintritt in die radiale oder diagonale Turbinenstufe eine Temperatur aufweist, die höher ist als eine maximal zulässige Erweichungstemperatur des Werkstoffs der axialen Turbinenstufe, und am Austritt der radialen oder diagonalen Turbinenstufe eine Temperatur aufweist, die gleich oder kleiner einer maximal zulässigen Erweichungstemperatur des Werkstoffs der axialen Turbinenstufe der Turbine ist.
In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Turbinenanlage zur Verfügung, wobei die Turbinenanlage einen Dampferzeuger und eine stromab des Dampferzeugers angeordnete erfindungsgemäß ausgebil¬ dete Turbine umfasst und einem Durchströmfluid in einer Brennkammer oder in einem Dampferzeuger Wärme zugeführt wird. Das Durchströmfluid wird hierdurch auf eine Temperatur erhitzt, die über einer maximal zulässigen Erweichungstem¬ peratur des Werkstoffs der axialen Turbinenstufe der Turbine liegt. Anschließend wird das Durchströmfluid in der radialen oder diagonalen Turbinenstufe der Turbi¬ ne so weit entspannt, dass die Temperatur des Durchströmfluids am Austritt aus der radialen oder diagonale Turbinenstufe gleich oder kleiner der Erweichungs- temperatur des Werkstoffs der axialen Turbinenstufe der Turbine ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher er¬ läutert, die in den Figuren illustriert sind. Es zeigen:
Figur 1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Hochdruckturbine einer
Dampfturbinenanlage;
Figur 2 eine erste erfindungsgemäß ausgeführte Turbine; Figur 3 eine zweite erfindungsgemäß ausgeführte Turbine. In den Figuren sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Ele¬ mente und Bauteile dargestellt.
Die dargestellten Ausführungsbeispiele sind rein instruktiv zu verstehen und sollen einem besseren Verständnis dienen, jedoch nicht als Einschränkung des Erfin¬ dungsgegenstandes verstanden werden.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte, als Hochdruckturbine ausgebildete Turbine 10 einer Dampfturbinenanlage. Das Durchströmfluid ist hier Wasserdampf. Der aus einem Dampferzeuger (in Figur 1 nicht dargestellt) kom¬ mende Dampf wird der Turbine 10 über einen Frischdampfstutzen 31 radial zuge¬ führt. In dem radialen Zuströmabschnitt des Frischdampfstutzens 31 findet sich hier ein erstes Leitrad 20LE zur Gleichrichtung und/oder zur Vordrallerzeugung der Dampfströmung. Die Dampfströmung wird anschließend in einem Umlenk¬ abschnitt (im Bereich des Strömungspfeils 36) aus der radialen Strömungsrichtung (Richtung des Strömungspfeils 35) in eine axiale Strömungsrichtung (Richtung des Strömungspfeils 37) umgelenkt. Erst nach erfolgter Umlenkung in die axiale Strömungsrichtung, durchströmt die Dampfströmung das Laufrad 20LA der ersten Turbinenstufe sowie im Anschluss hieran die stromab der ersten Turbinenstufe angeordneten, weiteren axialen Turbinenstufen 21 - 28 der Turbine 10. Alle Turbinenstufen 21 - 28 mit Ausnahme der ersten Turbinenstufe 20 (= 20LE + 20LA) sind als rein axiale Turbinenstufen ausgebildet. Die erste Turbinenstufe 20 ist hier als kombinierte radial-axiale Turbinenstufe ausgeführt, wobei das Leitrad 20LE in dem radialen Zuströmabschnitt des Frischdampfstutzens 31 und das
Laufrad 20LA in dem axial durchströmten Abschnitt der als Hochdruckturbine aus¬ gebildeten Turbine 10 angeordnet ist. Die Energieumsetzung erfolgt somit aus¬ schließlich in dem rein axial durchströmten Abschnitt. Die Höhe der Energie¬ umsetzung ist aufgrund der in axial durchströmten Laufrädern maximal realisier- baren Strömungsumlenkung in gleichem Maße wie auch bei axialen Turbinen¬ stufen begrenzt. Weist der Dampf, der der Dampfturbine zugeführt wird, nun eine hohe oder sehr hohe Eintrittstemperatur auf, die über der zulässigen Erweichungstemperatur des für die Beschaufelung der Laufräder und Leiträder üblicherweise verwendeten Werkstoffs, beispielsweise Stahlguss, liegt, so müssen wenigstens die den Strö¬ mungskanal bildenden und/oder die in dem Strömungskanal angeordneten Bau¬ teile derjenigen Turbinenstufen der Turbine, in deren Bereich der Dampf eine Temperatur über der Erweichungstemperatur aufweist, entweder aus einem hoch- warmfesten Werkstoff hergestellt oder in geeigneter Weise gekühlt werden. In dem in Figur 1 dargestellten Beispiel sind hiervon die ersten drei Turbinenstufen 20, 21 und 22 betroffen. Hier sind sowohl die Schaufeln der ersten drei Turbinen¬ stufen als auch die Kanalseitenwände des Strömungskanals aus einem hoch- warmfesten Werkstoff hergestellt. Mit 40 ist die Heißzonengrenze markiert, strom¬ auf der Maßnahmen zur Erhöhung der Temperaturbeständigkeit ergriffen werden müssen. In vielen Fällen ist aufgrund von Wärmeleitung in diesem Bereich auch die Welle aus einem hochwarmfesten Werkstoff herzustellen. Im Nennbetrieb der Turbine 10 weist der Dampf erst stromab der dritten Turbinenstufe 22 eine Tem¬ peratur auf, die unter der Erweichungstemperatur des üblicherweise für Turbinen¬ bauteile verwendeten Werkstoffs liegt. Durch die Verwendung von hochwarmfes- tem Werkstoff für die drei ersten Turbinenstufen 20, 21 und 22 verteuern sich die Herstellungskosten für eine solche Dampfturbine erheblich.
Hier setzt die Erfindung an. Die Figuren 2 und 3 zeigen erfindungsgemäß ausge¬ führte, als Dampfturbinen ausgebildete Turbinen 100. In beiden Ausführungs- beispielen umfassen die hier dargestellten Turbinen jeweils genau eine radiale Turbinenstufe 120 mit radialer Zuströmung (Richtung des Strömungspfeils 135) und axialer Abströmung (Richtung des Strömungspfeils 137) sowie eine Vielzahl axialer Turbinenstufen 121 - 125 mit jeweils axialer Zuströmung und axialer Ab¬ strömung. Die als erste Stufe der Turbine ausgebildete radiale Turbinenstufe 120 schließt sich unmittelbar an den radial verlaufenden Teil eines Frischdampfstut¬ zens 131 an. Die axialen Turbinenstufen 121 - 125 sind in beiden Ausführungs¬ beispielen unmittelbar stromab der radialen Turbinenstufe 120 angeordnet. Um eine Beschickung mit sehr heißem Dampf zu ermöglichen, sind die in den Fi¬ guren 2 und 3 dargestellten radialen Turbinenstufen 120 jeweils mit einer höheren Temperaturbeständigkeit ausgeführt als die axialen Turbinenstufen 121 - 125. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass die radiale Turbinenstufe 120 je¬ weils aus einer hochwarmfesten Nickel-Basis-Legierung oder aus einem kerami¬ schen Werkstoff hergestellt ist, wohingegen die axialen Turbinenstufen 121 -125 jeweils beispielsweise aus einem üblichen Stahlguss oder einem Nickel-Chrom- Stahl hergestellt sind. Alternativ zur Verwendung eines hochwarmfesten Werk- Stoffs oder auch ergänzend hierzu könnten speziell die Schaufeln der radialen Turbinenstufe 120 auch entweder mit einer wärmeisolierenden Beschichtung oder mit Kühlung ausgeführt sein.
Die in den Figuren 2 und 3 dargestellten radialen Turbinenstufen 120 ersetzen so- mit geometrisch jeweils im wesentlichen die radial-axiale Turbinenstufe 20 aus Fi¬ gur 1. Bei der Durchströmung der radialen Turbinenstufen 120 gemäß den Figuren 2 und 3 wird jedoch die Temperatur der Dampfströmung soweit abgesenkt, dass die nachfolgenden axialen Turbinenstufen 121 - 125 aus herkömmlichem Turbinenwerkstoff gefertigt sein können. Da radiale und auch diagonale Turbinen- stufen 120 wesentlich höher belastet werden können und einen wesentlich höhe¬ ren Enthalpieumsatz bewerkstelligen können als axiale Turbinenstufen, ist in den hier dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung jeweils nur eine radiale Turbinenstufe erforderlich, um die Temperatur hinreichend unter die Erweichungs¬ temperatur des Werkstoffs der axialen Turbinenstufen 121 - 125 abzusenken. In der aus dem Stand der Technik bekannten Ausführung gemäß Figur 1 hingegen waren für eine hinreichende Temperaturabsenkung drei axiale Turbinenstufen 20, 21 und 22 erforderlich. Bei gleichen Bedingungen des Durchströmfluids am Eintritt in die Turbine müssen bei erfindungsgemäßer Ausführung der Turbine, wie in den Figuren 2 und 3 dargestellt, demzufolge nur die Bauteile der jeweiligen radialen Turbinenstufe 120 eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweisen. Dies betrifft somit erheblich weniger Bauteile, als dies bei herkömmlich ausgeführten Turbinen der Fall ist. Da zur Erzielung hoher Wirkungsgrade neben der Prozesstemperatur auch der Prozessdruck erhöht wird, ergeben sich nur vergleichsweise geringe Volumen¬ ströme des Durchströmfluids am Eintritt in die Turbinen. Bei kleinen Volumenströ- men aber weisen radiale oder diagonale Turbinenstufen einen ähnlichen Wir¬ kungsgrad auf wie axiale Turbinenstufen. Daher sind die in den Figuren 2 und 3 dargestellten Turbinen auch in ihren Gesamtwirkungsgraden zu der Turbine aus Figur 1 vergleichbar bei jedoch deutlich geringeren Herstellungskosten und kom¬ pakteren Abmessungen.
Im Folgenden wird das Verfahren zur Auslegung einer Turbine gemäß der Erfin¬ dung anhand der in den Figuren 2 und 3 dargestellten Turbinen 100 erläutert. In beiden Beispielen wird von typischen geometrischen und sonstigen Randbedin¬ gungen für in Dampfturbinenanlagen verwendeten Hochdruckturbinen ausgegan- gen, d.h. einem Wellendurchmesser von etwa 880 mm und einer Nenndrehzahl der Turbinenanlage von 50 Hz. Zur Auslegung des Laufrads der radialen Turbi¬ nenstufe 120 wird das aus dem Stand der Technik bekannte, sogenannte "Cordier-Diagramm" (siehe bspw. Dubbel, "Taschenbuch für den Maschinenbau", 18. Auflage, R22) verwendet, in dem für einstufige Turbinenmaschinen eine Kor- relation zwischen einer Durchmesser-Kenngröße ÖM in Funktion der spezifischen Drehzahl OM graphisch wiedergegeben ist, wobei:
. .1/4 , . .1/2 . . .1/2 , . .3/4 δM = IΨyMl / IΦMI und OM = IΦMI / IΨyMl
2 mit (PM = Cm / um und ψyM = Δh / (um / 2)
Hierdurch ist eine akzeptable Effizienz der Turbinenstufe mit einem isentropen Wirkungsgrad von etwa 90% gewährleistet.
In beiden Ausführungsbeispielen wird davon ausgegangen, dass der Eintrittsdruck bei Nennbetrieb der Turbine am Eintritt in die Turbine 300 bar und der Dampf¬ massendurchsatz etwa 400 kg/s beträgt. Dies stellen typische Werte für moderne Dampfturbinen dar. Soll nun die Turbineneintrittstemperatur 620° C betragen - was ein typischer Wert für eine modern ausgelegte, superkritische Dampfturbine ist -, so ergeben sich un¬ ter Zuhilfenahme des Cordier-Diagramms die nachfolgend aufgeführten Werte, wenn am Austritt aus der radialen Turbinenstufe eine Austrittstemperatur von 565° C und weniger gegeben sein soll:
(PM = 0.30; ψyM = 6.50 => ÖM « 2.9; OM « 0.14
Bei einer Temperatur von 5650C und weniger müssen für die Bauteile stromab der radialen Turbinenstufe keine Maßnahmen zur Erhöhung der Temperaturbestän- digkeit ergriffen werden, da dieser Temperaturwert unterhalb der Erweichungs¬ temperatur des für die axialen Turbinenstufen üblicherweise verwendeten Werk¬ stoffs liegt.
Die so ausgelegte radiale Turbinenstufe 120 erzeugt einen Druckabfall des Damp- fes von 300 bar am Eintritt in die radiale Turbinenstufe auf 217 bar am Austritt aus der radialen Turbinenstufe, d.h. das Druckverhältnis liegt bei etwa 1.4. Die Tem¬ peratur am Austritt aus der radialen Turbinenstufe liegt bei etwa 560° C. Die Dreh¬ zahl der radialen Turbinenstufe liegt bei 50 Hz, bei einem mittleren Durchmesser von DM « 1120 mm und einer Schaufel breite von 23 mm am Eintritt und 41 mm am Austritt.
Das stromab der radialen Turbinenstufe 120 angeordnete Leitrad der ersten axia¬ len Turbinenstufe 121 kann dann mit einer typischen axialen Zuströmung und einer Schaufelhöhe von etwa 60 mm bei einem angenommenen Durchflusskoeffi- zienten von etwa 0.24 arbeiten. Das Leitrad der ersten axialen Turbinenstufe 121 weist hierzu einen mittleren Eintrittsdurchmesser auf, der gleich dem mittleren Austrittsdurchmesser des Laufrads der radialen Turbinenstufe 120 ist. Somit kann ein gerader Durchströmungskanal im Bereich des Übergangs von der radialen Turbinenstufe 120 auf die axiale Turbinenstufe 121 realisiert werden. Wie an dem vorstehenden Ausführungsbeispiel verdeutlicht wurde, ist es möglich, eine radiale oder diagonale Turbinenstufe so auszulegen, dass diese bei einem typischen Nennbetriebszustand einer Dampfturbine, bei dem die Dampfturbine mit Dampf bei hoher oder sehr hoher Eintrittstemperatur beschickt wird, mit einem gu¬ ten Wirkungsgrad arbeitet. Die so ausgelegte Turbinenstufe sorgt dann im Betrieb dafür, dass die stromab angeordneten axialen Turbinenstufen nur gewöhnlichen, weitaus niedrigeren Temperaturbelastungen ausgesetzt sind, auch wenn die Ein¬ trittstemperatur am Eintritt in die radiale oder diagonale Turbinenstufe deutlich über einer zulässigen Erweichungstemperatur des Werkstoffs der axialen Turbi¬ nenstufen liegt.
Zusätzlich kann bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 die radiale Turbinen¬ stufe 120 bei gleicher Drehzahl betrieben werden wie die axialen Turbinenstufen 121 - 125. Hierdurch ist es möglich, die radiale Turbinenstufe 120 und die axialen Turbinenstufen 121 - 125, wie in Figur 2 dargestellt, auf einer gemeinsamen Welle 130 anzuordnen. Auch kann hier ein durchgehendes, gemeinsames Gehäuse 132 zum Einsatz kommen.
In dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird von einer Eintrittstempe¬ ratur in die als Dampfturbine ausgebildete Turbine 100 von 700° C ausgegangen. Dies stellt einen typischen Wert für ultra-superkritische Turbinen dar. Wiederum ist am Austritt aus der radialen Turbinenstufe 120 eine Temperatur von 565° C oder weniger gefordert. Aus diesen Anforderungen ergeben sich unter Zuhilfenahme des Cordier-Diagramms folgende Kenngrößen:
(PM = 0.30; ψyM = 4.00 => ÖM « 2.6; OM « 0.19
Die so ausgelegte radiale Turbinenstufe 120 erzeugt einen Druckabfall der Dampfströmung von 300 bar am Eintritt in die radiale Turbinenstufe auf 145 bar am Austritt aus der radialen Turbinenstufe, d.h. das Druckverhältnis liegt bei etwa 2.1. Die Temperatur am Austritt aus der radialen Turbinenstufe 120 liegt bei etwa 565° C. Die Drehzahl der radialen Turbinenstufe 120 beträgt 100 Hz, bei einem mittleren Durchmesser von DM « 1120 mm und einer Schaufelbreite von 13 mm am Eintritt und 32 mm am Austritt. Das stromab der radialen Turbinenstufe 120 angeordnete Leitrad der ersten axia¬ len Turbinenstufe 121 kann dann mit einer typischen axialen Zuströmung und einer Schaufelhöhe von etwa 100 mm bei einem angenommenen Durchfluss¬ koeffizienten von etwa 0.22 arbeiten. Das Leitrad der ersten axialen Turbinenstufe 121 weist einen mittleren Eintrittsdurchmesser auf, der gleich dem mittleren Aus¬ trittsdurchmesser des Laufrads der radialen Turbinenstufe 120 ist. Somit kann im Bereich des Übergangs von der radialen Turbinenstufe 120 auf die erste axiale Turbinenstufe 121 ein gerade verlaufender Durchströmungskanal realisiert wer¬ den. Allerdings beträgt die Drehzahl der axialen Turbinenstufen 121 - 125 hier nur 50 Hz, während die Drehzahl der radialen Turbinenstufe 120 100 Hz beträgt.
Dieses Ausführungsbeispiel zeigt, dass es auch im Falle einer sehr hohen Ein¬ trittstemperatur am Eintritt in die Turbine ausgehend von einem typischen Nenn- betriebszustand einer Dampfturbine möglich ist, als Eintrittsstufe der Dampfturbine eine radiale oder diagonale Turbinenstufe vorzusehen. Die so ausgelegte und mit gutem Wirkungsgrad arbeitende radiale Turbinenstufe 120 sorgt im Betrieb dann dafür, dass die stromab angeordneten axialen Turbinenstufen 121 - 125 nur deut¬ lich niedrigen Temperaturbelastungen ausgesetzt sind, auch wenn die Eintritts- temperatur am Eintritt in die radiale Turbinenstufe 120 sehr deutlich über einer zulässigen Erweichungstemperatur des Werkstoffs der axialen Turbinenstufen 121 - 125 liegt. Die Heißzonengrenze 140, stromauf der Maßnahmen zur Erhöhung der Temperaturbeständigkeit ergriffen werden müssen, verläuft hier zwischen der radialen Turbinenstufe 120 und der ersten axialen Turbinenstufe 121.
Jedoch sind die radiale Turbinenstufe 120 und die axialen Turbinenstufen 121 — 125 in diesem Ausführungsbeispiel bei unterschiedlicher Drehzahl zu betreiben, so dass es hier nicht möglich ist, die radiale Turbinenstufe 120 und die axialen Turbinenstufen 121 - 125 auf einer gemeinsamen Welle anzuordnen. Die hohe Drehzahl der radialen Turbinenstufe 120 resultiert aus der Forderung, eine hohe Temperaturabsenkung bzw. einen hohen Enthalpieumsatz in der radialen Turbi¬ nenstufe zu erzielen. Eine hohe Temperaturabsenkung bzw. ein hoher Enthalpie- umsatz ist nur möglich, wenn entweder die radiale Turbinenstufe schnell drehend ausgeführt ist oder alternativ die radiale Turbinenstufe einen sehr großen Durch¬ messer aufweist oder alternativ die Beschaufelung der Turbinenstufe aerodyna¬ misch sehr hoch belastet ist. Die beiden letzten Alternativen sind hier ungeeignet, da ein sehr großer Durchmesser sehr kleine Schaufelbreiten bedingen würde und eine sehr hohe aerodynamische Belastung der Schaufeln einen schlechten Stu¬ fenwirkungsgrad zur Folge hätte.
Daher ist es hier zweckmäßig, die radiale Turbinenstufe 120 schneller drehen zu lassen als die axialen Turbinenstufen 121 -125. Die radiale Turbinenstufe 120 ist daher auf einer Teilwelle 130-1 und die axialen Turbinenstufen 121 -125 auf einer anderen Teilwelle 130-11 angeordnet. Hierbei ist es möglich, den ersten Turbinen¬ abschnitt, der die radiale Turbinenstufe 120 umfasst, sowie auch den zweiten Tur¬ binenabschnitt, der die axialen Turbinenstufen 121 - 125 umfasst, zwar auf ge- trennten Wellen, aber jedoch in einem gemeinsamen Gehäuse 132 oder auch in zwei voneinander getrennten Gehäusen unterzubringen.
Die beiden in Figur 3 dargestellten Teilwellen 130-1, 130-11 sind über ein in Figur 3 nicht dargestelltes Getriebe miteinander verbunden. Die Wellen können aber auch über ein Planetengetriebe miteinander verbunden sein, wobei beispielsweise die Teilwelle 130-1, auf der die radiale Turbinenstufe 120 angeordnet ist, die Teilwelle 130-11, auf der die axialen Turbinenstufen 121 -125 angeordnet sind, in dem Pla¬ netengetriebe umschließt.
Die in den Figuren 2 und 3 dargestellten Turbinen 100 können als Hochdruckturbi¬ nen von Dampfturbinenanlagen angeordnet sein, wobei dann stromauf des Frisch¬ luftstutzens 131 ein Dampferzeuger angeordnet ist.
Die in den Figuren 2 und 3 dargestellten Dampfturbinen können aber auch als Mit¬ teldruckturbinen von Dampfturbinenanlagen angeordnet sein, wobei dann strom- auf des Frischluftstutzens in der Regel ein Zwischenüberhitzer angeordnet ist. Die im Zusammenhang mit den Figuren 2 und 3 beschriebenen Turbinen und Tur¬ binenanlagen sowie die beschriebenen Verfahren stellen beispielhafte Ausfüh¬ rungsformen der Erfindung dar, die von einem Fachmann durchaus in vielfältiger Weise ohne Weiteres modifiziert werden können, ohne den Erfindungsgedanken hierdurch zu verlassen.
Bezugszeichenliste
10 Turbine
20LE Leitrad der radialen Turbinenstufe
20LA Laufrad der radialen Turbinenstufe
21 - 28 axiale Turbinenstufen
30 Welle
31 Frischdampfstutzen
32 Gehäuse
35, 36, 37 Strömungsrichtung des Durchströmfluids
40 Heißzonengrenze
100 Turbine
120 radiale oder diagonale Turbinenstufe
121 - 125 axiale Turbinenstufen
130 gemeinsame Welle
130-1, 130-11 Teilwellen
131 Frischdampfstutzen
132 Gehäuse
135, 136, 137 Strömungsrichtung des Durchströmfluids
140 Heißzonengrenze

Claims

Patentansprüche
1. Turbine (100) einer Turbinenanlage, insbesondere Dampfturbine einer Dampfturbinenanlage, mit wenigstens einer radialen oder diagonalen Turbinenstufe (120) mit radialer oder diagonaler Zuströmung und axialer Abströmung sowie mit wenigstens einer axialen Turbinenstufe (121 - 125) mit axialer Zuströmung und axialer Abströmung, wobei jede Turbinenstufe wenigstens ein Laufrad umfasst, und die wenigstens eine radiale oder diagonale Turbinenstufe (120) als ers¬ te Stufe der Turbine angeordnet ist und die wenigstens eine axiale Turbi¬ nenstufe (121 - 125) stromab der radialen oder diagonalen Turbinenstufe (120) als weitere Stufe der Turbine angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine radiale oder diagonale Turbinenstufe (120) eine höhere
Temperaturbeständigkeit aufweist als die wenigstens eine axiale Turbinen¬ stufe (121 - 125).
2. Turbine gemäss Anspruch 1 , wobei die Turbine genau eine radiale oder diagonale Turbinenstufe (120) sowie wenigstens eine axiale Turbinenstufe
(121 - 125) umfasst.
3. Turbine gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die radiale oder diagonale Turbinenstufe (120) aus einem ersten Werkstoff und die wenigstens eine axiale Turbinenstufe (121 - 125) aus einem zweiten Werk¬ stoff hergestellt ist, wobei der erste Werkstoff eine höhere Temperatur¬ beständigkeit aufweist als der zweite Werkstoff.
4. Turbine gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die radiale oder diagonale Turbinenstufe (120) mit einer Beschichtung aus einem tem¬ peraturbeständigen Werkstoff beschichtet ist.
5. Turbine gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die radiale oder diagonale Turbinenstufe (120) aus einer hochwarmfesten Nickel- Basis-Legierung hergestellt ist oder mit einer Beschichtung aus einer hoch¬ warmfesten Nickel-Basis-Legierung beschichtet ist.
6. Turbine gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die radiale oder diagonale Turbinenstufe (120) aus einem keramischen Werkstoff her¬ gestellt ist oder mit einer Beschichtung aus einem keramischen Werkstoff beschichtet ist.
7. Turbine gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigs¬ tens eine axiale Turbinenstufe (121 - 125) aus einem gewöhnlichen Turbi¬ nenwerkstoff ohne Beschichtung hergestellt ist.
8. Turbine gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die radiale oder diagonale Turbinenstufe (120) gekühlt ist und die wenigstens eine axiale Turbinenstufe (121 - 125) vorzugsweise ungekühlt ist.
9. Turbine gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Stufen- belastung der radialen oder diagonalen Turbinenstufe (120) der Turbine so gewählt ist, dass in einem Nennbetrieb der Turbine (100) ein Durchström- fluid am Eintritt in die radiale oder diagonale Turbinenstufe (120) eine Tem¬ peratur aufweist, die höher ist als eine maximal zulässige Erweichungs¬ temperatur des Werkstoffs der axialen Turbinenstufe, und das Durchström- fluid am Austritt aus der radialen oder diagonalen Turbinenstufe (120) eine
Temperatur aufweist, die gleich oder kleiner einer maximal zulässigen Er¬ weichungstemperatur des Werkstoffs der axialen Turbinenstufe ist.
10. Turbine gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Tem- peraturabfall des Durchströmfluids zwischen dem Eintritt in die radiale oder diagonale Turbinenstufe und dem Austritt aus der radialen oder diagonalen Turbinenstufe wenigstens 50° C, vorzugsweise mehr als 6O0C und insbe¬ sondere mehr als 120° C beträgt.
11. Turbine gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein mittlerer Austrittsdurchmesser der radialen oder diagonalen Turbinenstufe gleich einem mittleren Eintrittsdurchmesser der der radialen oder diagonalen Tur¬ binenstufe nachfolgend angeordneten axialen Turbinenstufe ist.
12. Turbine gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die radiale oder diagonale Turbinenstufe (120) und die wenigstens eine axiale Turbi¬ nenstufe (121 - 125) auf einer gemeinsamen Welle (130) angeordnet sind.
13. Turbine gemäss einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei die radiale oder dia¬ gonale Turbinenstufe (120) auf einer ersten Welle (130-1) und die wenigs- tens eine axiale Turbinenstufe (121 - 125) auf einer zweiten Welle (130-11) angeordnet sind und die Wellen über ein Getriebe, vorzugsweise ein Plane¬ tengetriebe, miteinander verbunden sind.
14. Turbine gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die radiale oder diagonale Turbinenstufe (120) und die wenigstens eine axiale Turbi¬ nenstufe (121 - 125) in einem gemeinsamen Gehäuse (132) angeordnet sind.
15. Turbinenanlage, insbesondere Dampfturbinenanlage, mit einer Brennkam- mer oder einem Dampferzeuger und mit einer Turbine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Turbine unmittelbar stromab der Brennkammer oder dem Dampferzeuger angeordnet ist.
16. Verfahren zur Auslegung einer Turbine, insbesondere zur Auslegung der Turbine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, umfassend, wenigstens eine axiale Turbinenstufe stromab einer radialen oder diagona¬ len Turbinenstufe anzuordnen, und die radiale oder diagonale Turbinenstufe mit einer höheren Temperatur¬ beständigkeit auszuführen als die wenigstens eine axiale Turbinenstufe.
17. Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei eine Stufenbelastung der radialen oder diagonalen Turbinenstufe der Turbine so gewählt wird, dass in einem
Nennbetrieb der Turbine ein Durchströmfluid am Eintritt in die radiale oder diagonale Turbinenstufe eine Temperatur aufweist, die höher ist als eine maximal zulässige Erweichungstemperatur des Werkstoffs der axialen Tur¬ binenstufe, und das Durchströmfluid am Austritt aus der radialen oder dia- gonalen Turbinenstufe eine Temperatur aufweist, die gleich oder kleiner einer maximal zulässigen Erweichungstemperatur des Werkstoffs der axia¬ len Turbinenstufe der Turbine ist.
18. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 16 oder 17, wobei ein Tem- peraturabfall des Durchströmfluids zwischen dem Eintritt in die radiale oder diagonale Turbinenstufe und dem Austritt aus der radialen oder diagonalen Turbinenstufe so gewählt wird, dass der Temperaturabfall wenigstens 50° C, vorzugsweise mehr als 6O0C und insbesondere mehr als 120° C beträgt.
19. Verfahren zum Betreiben einer Turbinenanlage gemäß Anspruch 15, wobei einem Durchströmfluid in der Brennkammer oder in dem Dampferzeuger Wärme zugeführt wird und das Durchströmfluid hierdurch auf eine Tempe¬ ratur erhitzt wird, die über einer maximal zulässigen Erweichungstemperatur des Werkstoffs der axialen Turbinenstufe der Turbine liegt, und anschließend das Durchströmfluid in der radialen oder diagonalen Tur¬ binenstufe der Turbine unter Abgabe einer technischen Arbeit so weit ent¬ spannt wird, dass die Temperatur des Durchströmfluids am Austritt aus der radialen oder diagonalen Turbinenstufe gleich oder kleiner der Erwei- chungstemperatur des Werkstoffs der axialen Turbinenstufe der Turbine ist.
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