WO2012013531A1 - Dampfturbine sowie verfahren zum kühlen einer solchen - Google Patents

Dampfturbine sowie verfahren zum kühlen einer solchen Download PDF

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    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/232—Heat transfer, e.g. cooling characterized by the cooling medium
    • F05D2260/2322—Heat transfer, e.g. cooling characterized by the cooling medium steam

Definitions

  • the invention relates to a steam turbine according to the
  • Cooling steam is supplied externally. Via a corresponding feed line to the outer housing of the stator of the turbine, an outer housing cooling bore, a flow space between the outer and inner housings of the stator and an inner housing cooling bore, cooling steam is thus subjected to particularly high thermal stress
  • This transverse line serves to additionally supply cooling steam to the live steam in the event of a sudden pressure drop in the live steam feed line in order thus to avoid an excessive differential pressure load between the region to be cooled and the inflow region of the flow channel.
  • the object of the invention is to provide an improved steam turbine and an improved method for cooling such a steam turbine.
  • Fresh steam from the flow channel can thus be supplied directly to the cooling steam. This leads to a thermodynamic coupling and thus to a steady
  • additional sealing elements which are the thermally high claimed area, such as the m the stator engaging thrust piston of the rotor, of the
  • the radial pressure balance downstream of a blade can be utilized for pressure equalization during operation of the turbine. Physically exists namely in the generated in the flow channel
  • Pressure equalization cross-connection a space connection between live steam and cooling steam through which a
  • Cooling steam excess can be emptied directly, so that the sealing elements are less stressed.
  • the pressure equalization cross-connection is in
  • Cooling steam supply can short passageways of the
  • Inflow region 41 of the flow channel 4 is supplied.
  • the so-streamed live steam then flows downstream in the
  • the cooling steam supply 6 comprises in the present
  • Internal cooling hole 64 is disposed in the inner housing 21 and provides a fluidic connection between the
  • sealing elements Due to the pressure difference between cooling and live steam are to these sealing elements but to set particularly high demands. On the other hand, the sealing elements must also be designed so that they are "permeable" in the case of an emergency shutdown to rapidly reduce a cooling steam surplus.
  • Pressure equalization transverse connection 7 between the flow channel 4 and the cooling steam supply 6 is provided.
  • formed as a bore in the inner housing 21 of the stator 2 allows so that a part of the
  • Fresh steam from the flow channel 4 is fed directly to the cooling steam. This creates a pressure equalization between Frischdampfhoffm anddedampfhoffm through this cross-connection. At the same time, the cross connection in case of
  • the part of the live steam from the flow channel would then be supplied to the cooling steam only in this area.
  • the pressure equalizing cross-connection as indicated in the figure, consist of a radially and an axially aligned region, but it could also be as a straight Bore obliquely through the inner housing from the flow channel to the inner housing cooling bore lead.

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dampfturbine (1) mit einem Stator (2), welcher ein Innen- (21) und ein Außengehäuse (22) umfasst, einem Rotor (3), einem zwischen Stator (2) und Rotor (3) ausgebildeten Strömungskanal ( 4 ), in dem abwechselnd Laufschaufelreihen (33) des Rotors (3) und Leitschaufelreihen (23) des Stators (2) angeordnet sind, einer Frischdampfzuführung (5) zum Zuführen von Frischdampf in einen Einströmbereich (41) des Strömungskanals (4), so dass der Frischdampf die Läufer- (33) und Leitschaufeln (21) im Strömungskanal (4) umströmen kann und einer KühldampfZuführung (6) zum Zuführen von Kühldampf in einen thermisch hoch beanspruchten Bereich (34) des Rotors (3), wobei eine Druckausgleichsquerverbindung (7) zwischen dem Strömungskanal (4) und der Kühldampfzuführung (6) vorgesehen ist. Dadurch kann erfindungsgemäß ein Teil des Frischdampfes aus dem Strömungskanal (4) dem Kühldampf zugeführt werden.

Description

Beschreibung
Dampfturbine sowie Verfahren zum Kühlen einer solchen Die Erfindung betrifft eine Dampfturbine gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein entsprechendes
Verfahren zur Kühlung einer solchen Dampfturbine gemäß
Anspruch 6. Dampfturbinen werden mit Frischdampf, der eine Temperatur von mehreren hundert Grad aufweisen kann, als Arbeitsmedium betrieben. Dazu wird der Frischdampf in einen Strömungskanal, der zwischen Rotor und Stator ausgebildet ist eingeströmt, so dass dieser die in diesen Kanal hineinragenden Leitschaufeln des Stators und Laufschaufeln des Rotors umströmt. Dadurch expandiert der Frischdampf auf einen niedrigeren Druck und kühlt ab. Die dabei freigesetzte thermische Energie wird in Rotationsenergie des Rotors umgesetzt, die zum Antrieb eines mit dem Rotor gekoppelten Generators oder einer
Arbeitsmaschine benutzt werden kann.
Hohe Leistungen der Dampfturbine bedingen entsprechend hohe Arbeitstemperaturen des Frischdampfes und damit eine erhöhte thermische Belastung einzelner Komponenten der Dampfturbine. Diese, thermisch besonders belasteten Komponenten müssen aber ausreichend gekühlt werden, um den sicheren Betrieb der
Dampfturbine zu gewährleisten.
Aus der EP 2 067 933 ist dazu eine Vorrichtung bekannt, bei der der Dampfturbine neben dem Frischdampf zusätzlich
Kühldampf von extern zugeführt wird. Über eine entsprechende Zuleitung zum Außengehäuse des Stators der Turbine, eine Außengehäusekühlbohrung, einen Strömungsraum zwischen Außen- und Innengehäuse des Stators und eine Innengehäusekühlbohrung wird so Kühldampf in den besonders thermisch beanspruchten
Bereich der Dampfturbine, hier den Schubausgleichskolben des Rotors so eingebracht, dass dieser gezielt gekühlt wird.
Zusätzliche Dichtelemente trennen diesen Kühldampfräum von dem angrenzenden Frischdampfräum. Diese Dichtelemente müssen dabei einerseits möglichst dicht sein, um auch bei einer Änderung der Dampfzustände, so wie sie bei einem Lastwechsel auftreten, noch eine Rückwärtsströmung von Kühldampf in den Frischdampfräum zu verhindern. Anderseits müssen die
Dichtelemente aber undicht genug sein, um im Falle einer Turbinenschnellabschaltung eine ausreichend schnelle
Druckentlastung zu gewährleisten. Diese Dichtelemente müssen somit für beide, sich aber widersprechende Anforderungen ausgelegt werden.
Zudem ist aus der EP 2 067 933 eine Ausführung bekannt, bei der zusätzlich eine externe Querleitung zwischen externer Frischdampf- und Kühldampfzuleitung der Dampfturbine
vorgesehen ist. Diese Querleitung dient dazu, dass im Falle eines schlagartigen Druckabfalls in der Frischdampfzuleitung dem Frischdampf zusätzlich Kühldampf zugespeist werden kann, um so eine zu große Differenzdruckbelastung zwischen dem zu kühlenden Bereich und dem Einströmbereich des Strömungskanals zu vermeiden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Dampfturbine sowie ein verbessertes Verfahren zur Kühlung einer solchen Dampfturbine bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird mit der Dampfturbine mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie mit dem entsprechenden Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass durch eine
zusätzliche Druckausgleichsquerverbindung zwischen
Strömungskanal und Kühldampfzufuhr, ein Teil des
Frischdampfes aus dem Strömungskanal somit direkt auch dem Kühldampf zugeführt werden kann. Damit kommt es zu einer thermodynamischen Kopplung und damit zu einem stetigen
Druckausgleich zwischen dem Frischdampfräum und dem
Kühldampfräum der Turbine über diese Querverbindung. An die zusätzlichen Dichtelemente, die den thermisch hoch beanspruchten Bereich, wie beispielsweise den m den Stator eingreifenden Schubausgleichskolben des Rotors, von dem
Bereich mit Frischdampf abgrenzen, müssen somit nicht so hohe Anforderungen gestellt werden, da die Druckdifferenz zwischen beiden Räumen geringer ist.
Mündet ein Ende der Druckausgleichsquerverbindung radial außen im Strömungskanal, so kann für den Druckausgleich im laufenden Betrieb der Turbine das radiale Druckgleichgewicht stromabwärts einer Schaufel ausgenutzt werden. Physikalisch besteht nämlich bei der im Strömungskanal erzeugten
drallbahafteten Strömung eine Druckdifferenz mit einem höheren statischen Druck an der radial äußeren Seite des Strömungskanals. Nach einer Leitschaufel wird somit das
Statorinnengehäuse mit einem höheren Druck als der Rotor beaufschlagt. Dieser an der Druckausgleichsquerverbindung anliegende höhere Druck legt, über die
Druckausgleichsquerverbindung direkt, auch einen höheren Druck im Kühldampfräum fest. Somit kommt es auch bei einer Laständerung im laufenden Betrieb nicht zu einer lokalen Umkehrung der Strömungsrichtung. Zudem besteht für den Fall einer Turbinenschnellabschaltung mit der
Druckausgleichsquerverbindung, eine Raumverbindung zwischen Frischdampf und Kühldampf, durch welche ein
Kühldampfüberschuss direkt entleert werden kann, so dass die Dichtelemente weniger beansprucht werden.
Bevorzugt ist die Druckausgleichsquerverbindung im
Innengehäuse des Stators und hier insbesondere nahe am
Einströmbereich des Strömungskanals angeordnet, so dass der lokal höchste Druck des Strömungskanals abgegriffen werden kann. Mündet die Druckausgleichsquerverbindung zudem nahe des thermisch hoch beanspruchten Bereichs in die
KühldampfZuführung, können kurze Durchführungswege der
Druckausgleichsquerverbindung erreicht werden.
Die Erfindung soll nun anhand einer Figur beispielhaft erläutert werden. Dargestellt ist der Schnitt durch eine Dampfturbine 1, mit einem Stator 2, mit Innengehäuse 21, mit Außengehäuse 22 und einem Rotor 3. Zwischen dem Stator 2 und dem Rotor 3 ist ein Strömungskanal 4 ausgebildet, in dem in axialer Richtung abwechselnd Laufschaufelreihen 33 des Rotors 3 und Leitschaufelreihen 23 des Stators 2 angeordnet sind. Über eine FrischdampfZuführung 5 wird Frischdampf einem
Einströmbereich 41 des Strömungskanals 4 zugeführt. Der so eingeströmte Frischdampf umströmt dann stromab im
Strömungskanal 4 die Läufer- 33 und Leitschaufelreihen 23, expandiert und kühlt ab. Die dadurch freigesetzte thermische Energie bewirkt, dass sich der Rotor 3 dreht. Durch den sich nun im feststehenden Stator 2 drehenden Rotor 3 können lokal thermisch hoch belastete Bereiche 34 entstehen, die gekühlt werden müssen. So ein Bereich ist beispielsweise der am Rotor ausgebildete Schaubausgleichskolben 35, der sich durch den drehenden Rotor 3 in einer entsprechenden Ausnehmung des Stators 2 bewegt.
Zur Kühlung solcher thermisch hoch beanspruchten Bereiche 34 ist deshalb eine zusätzliche KühldampfZuführung 6 vorgesehen. Die KühldampfZuführung 6 umfasst im vorliegenden
Ausführungsbeispiel eine externe Zuleitung 61 von außen zum Außengehäuse 22, eine Außengehäusekühlbohrung 62, einen
Strömungsraum 63 zwischen Außengehäuse 22 und Innengehäuse 21 und zumindest eine Innengehäusekühlbohrung 64. Die
Innenkühlbohrung 64 ist im Innengehäuse 21 angeordnet und stellt eine strömungstechnische Verbindung zwischen dem
Strömungsraum 63 und einem Spaltraum dar, der zwischen dem Schubausgleichskolben 35 und dem Innengehäuse 21 angeordnet ist. Sowohl die KühldampfZuführung als auch die
FrischdampfZuführung können, so wie in der Figur angedeutet, zusätzliche Ventile zum Steuern der jeweiligen Dampfmenge aufweisen. Zudem sind zur Trennung der beiden Dampfräume in der Turbine 1 an den Stellen, an denen der Frischdampfräum und Kühldampfräum besonders dicht beieinander liegen,
zusätzliche (aber hier nicht näher dargestellte)
Dichtelemente vorgesehen. Aufgrund des Druckunterschieds zwischen Kühl- und Frischdampf sind an diese Dichtelemente aber besonders hohe Anforderungen zu stellen. Andererseits müssen die Dichtelemente aber auch so ausgelegt sein, dass sie im Fall einer Schnellabschaltung „durchlässig" sind um einen Kühldampfüberschuss schnell abzubauen.
Um die Anforderungen an solche Dichtelemente so gering wie möglich zu halten ist daher erfindungsgemäß eine
Druckausgleichsquerverbindung 7 zwischen dem Strömungskanal 4 und der KühldampfZuführung 6 vorgesehen. In dem in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel ist diese Querverbindung 7, nahe dem Einströmbereich 41, des Frischdampfes in den
Strömungskanal 4 und der thermisch hoch belasteten Zone 34 vorgesehen. Die Druckausgleichsquerverbindung 7, die
beispielsweise als Bohrung im Innengehäuse 21 des Stators 2 ausgebildet ist ermöglicht so, dass ein Teil des
Frischdampfes aus dem Strömungskanal 4 direkt dem Kühldampf zugeführt wird. So entsteht durch diese Querverbindung ein Druckausgleich zwischen Frischdampfräum und Kühldampfräum. Gleichzeitig kann die Querverbindung im Falle einer
Schnellabschaltung als „Bypass" genutzt werden und so
überschüssiges Kühlmittel aus dem Kühldampfräum in den
Frischdampfräum abzuführen. Insgesamt können so geringere Anforderungen an die Dichtelemente gestellt werden, was eine erhebliche Reduzierung der Materialkosten zur Folge hat.
Die vorliegende Erfindung ist nicht beschränkt auf die zuvor beschriebenen Ausführungen. Vielmehr sind auch Kombinationen, Abwandlungen bzw. Ergänzungen einzelner Merkmale denkbar, die zu weiteren möglichen Aus führungs formen der erfinderischen Idee führen können. So könnte die
Druckausgleichsquerverbindung auch direkt in den von
Kühldampf beströmten thermisch hoch beanspruchten Bereich führen. Der Teil des Frischdampfes aus dem Strömungskanal würde dann erst in diesem Bereich dem Kühldampf zugeführt. Die Druckausgleichsquerverbindung kann, wie in der Figur angedeutet, aus einem radial und einen axial ausgerichteten Bereich bestehen, sie könnte aber auch als eine gerade Bohrung schräg durch das Innengehäuse vom Strömungs kanal zur Innengehäusekühlbohrung führen .

Claims

Patentansprüche
1. Dampfturbine (1) mit einem Stator (2), welcher ein Innen- (21) und ein Außengehäuse (22) umfasst, einem Rotor (3), einem zwischen Stator (2) und Rotor (3) ausgebildeten
Strömungskanal ( 4 ) , in dem abwechselnd Laufschaufelreihen (33) des Rotors (3) und Leitschaufelreihen (23) des Stators (2) angeordnet sind, einer FrischdampfZuführung (5) zum Zuführen von Frischdampf in einen Einströmbereich (41) des
Strömungskanals (4), so dass der Frischdampf die Läufer- (33) und Leitschaufeln (21) im Strömungskanal (4) umströmen kann und einer KühldampfZuführung (6) zum Zuführen von Kühldampf in einen thermisch hoch beanspruchten Bereich (34) des Rotors (3)
mit einer Druckausgleichsquerverbindung (7) zwischen dem Strömungskanal (4) und der KühldampfZuführung (6),
wobei die KühldampfZuführung (6) eine Zuleitung (61) zum Außengehäuse (22), eine Außengehäusekühlbohrung (62), einen Strömungsraum (63) zwischen Außen- und Innengehäuse und zumindest eine Innengehäusekühlbohrung (64) umfasst und die Druckausgleichsquerverbindung (7) eine Bohrung im
Innengehäuse (21) ist, die vom Strömungskanal (4) zu der Innengehäusekühlbohrung (64) reicht,
wobei die Druckausgleichsquerverbindung (7) im Bereich des Einströmbereichs (41) des Strömungskanals (4) und des
thermisch beanspruchten Bereichs (34) im Innengehäuse (21) ausgebildet ist.,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s
die Innenkühlbohrung (64) im Innengehäuse (21) angeordnet ist und eine strömungstechnische Verbindung zwischen dem
Strömungsraum (63) und einem Spaltraum, der zwischen dem Rotor (3) und dem Innengehäuse (21) angeordnet ist,
herstellt .
2. Dampfturbine nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s
Druckausgleichsquerverbindung (7) radial außen am
Strömungskanal (4) ansetzt.
3. Dampfturbine nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der thermisch beanspruchte Bereich (34) ein
Schubausgleichskolben (35) des Rotors (3) ist.
4. Verfahren zum Kühlen einer Dampfturbine (1), wobei der Dampfturbine (1) Frischdampf zum Durchströmen eines zwischen einem Stator (2) und einem Rotor (3) ausgebildeten
Strömungskanals (4) und Kühldampf zum Kühlen eines thermisch beanspruchten Bereichs (34) des Rotors (3) zugeführt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s ein Teil des Frischdampfes aus dem Strömungskanal (4) dem Kühldampf zugeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Zuführung des Frischdampfs aus dem Strömungskanal (4) im Bereich des Einströmbereichs (41) des Strömungskanals (4) und dem thermisch beanspruchten Bereich (34) des Rotors (3) im Innengehäuse (21) des Stators (2) erfolgt.
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