WO2016058855A1 - Kontrollierte kühlung von turbinenwellen - Google Patents

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WO2016058855A1
WO2016058855A1 PCT/EP2015/072911 EP2015072911W WO2016058855A1 WO 2016058855 A1 WO2016058855 A1 WO 2016058855A1 EP 2015072911 W EP2015072911 W EP 2015072911W WO 2016058855 A1 WO2016058855 A1 WO 2016058855A1
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rotor
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cooling
flow
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PCT/EP2015/072911
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Inventor
Armin De Lazzer
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/08—Heating, heat-insulating or cooling means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/08—Heating, heat-insulating or cooling means
    • F01D5/081—Cooling fluid being directed on the side of the rotor disc or at the roots of the blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01D5/08—Heating, heat-insulating or cooling means
    • F01D5/081—Cooling fluid being directed on the side of the rotor disc or at the roots of the blades
    • F01D5/082—Cooling fluid being directed on the side of the rotor disc or at the roots of the blades on the side of the rotor disc
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/201—Heat transfer, e.g. cooling by impingement of a fluid

Definitions

  • the invention relates to a turbomachine, in particular a steam turbine, with an inflow region for supplying steam, a rotatably mounted rotor, a housing which is arranged around the rotor, wherein between the rotor and the housing, a flow channel is formed, wherein the Strö ⁇ mungskanal is fluidically interconnected with the inflow, with a shield which is designed such that during operation, a flowing into the inflow steam is deflected into the flow channel, wherein the shield has a coolant supply, which is designed such that in operation a cooling steam in a cooling ⁇ area, which is angeord ⁇ net between the shield and the rotor, is flowable.
  • Turbomachines such as steam turbines are flowed through a flow medium, which usually has high temperatures and pressures.
  • a Dampftur ⁇ bine as an embodiment of a turbomachine steam as flow medium.
  • the steam parameters in the live steam inflow region are so high that the steam turbine is subjected to high thermal stress at various points.
  • the steam turbine for example, the mate ⁇ rials heavily loaded thermally in the inflow.
  • a steam turbine essentially comprises a turbine shaft, which is rotatably mounted, and a housing arranged around the turbine shaft.
  • the door ⁇ binenwelle is thermally heavily loaded by the temperature of the inflowing Damp ⁇ fes. It is true that the higher the temperature ⁇ structure, the higher the thermal stress.
  • Turbine blades are arranged in so-called grooves on the rotor.
  • the grooves experience a high mechanical load.
  • the thermal load reduces the tolerable me chanical ⁇ load by rotation and additional load caused by fastened to the rotor blades.
  • From a thermodynamic point of view it makes sense to increase the temperature of the steam machinesstem ⁇ since the efficiency with height ⁇ rer inlet temperature rises.
  • the Einström Schemee the shaft are ge ⁇ cools. If a suitable cooling method can be developed, one can do without the change to a higher quality, but more expensive material.
  • a steam turbine plant includes at least one Dampferzeu ⁇ ger and a first formed as a high-pressure part turbine steam turbine and other turbine stages, which are formed as medium-pressure or low-pressure part ⁇ turbines.
  • the document DE 34 06 071 AI discloses a shield, where ⁇ in the shield has only one cooling steam line, but no additional line.
  • the object of the inven ⁇ tion is to specify an improved cooling for a steam turbine.
  • This object is achieved by a turbomachine, the ⁇ particular steam turbine, with an inflow for Zumoni ⁇ ren steam, a rotatably mounted rotor, a casing which is arranged around the rotor, wherein a flow channel is formed between the rotor and the housing, wherein the flow channel with the inflow region is fluidically connected to one another, with a shield, which is designed such that during operation, a flowing into the inflow steam is deflected into the flow channel, wherein the shield has a coolant supply, which is designed such that in operation a cooling steam in a cooling ⁇ area, which is angeord ⁇ net between the shield and the rotor, is flowable, wherein the shield has a conduit which establishes a fluidic connection between the cooling region and the inflow region.
  • the invention thus relates to fluid flow machines, the ⁇ particular steam turbines, comprising a shield which is arranged in the inflow area and shields the shaft before the hot flow medium ⁇ SEN.
  • a coolant supply is used which, during operation, generates a cooling steam for cooling
  • Rotor leads.
  • the invention pursues the following idea: Until now , a comparatively strong cooling of the rotor in the cooling region, ie between shield and rotor surface it acts. Is cooled with a cold reheater ⁇ steam, which, however, leads to a very strong cooling of the Ro ⁇ tors in the inflow. In the case of a failure of the coolant, the rotor heats up very strongly in this area, which leads to undesired extreme thermal Senbe ⁇ loads. To avoid this, it is proposed according to the invention, in addition to the coolant supply, to form the shield with a line through which the live steam can flow into the space between the rotor and the shield.
  • the flow rate of the coolant and the flow rate of live steam through the line is selected such that the temperature of the rotor heats up to a limit value in the inflow region.
  • This threshold is chosen such that in case of failure of the cooling medium a Ermér ⁇ mung to the maximum temperature, ie oh ⁇ ne coolant is moderate to warming.
  • steam is to be understood as meaning a flow medium which, in addition to water vapor, may be ammonia or a vapor-C0 2 mixture.
  • the shaft causes by unsafe failure behavior under cooling with very cold reheater steam or complicated process control in order ⁇ reduction in temperature controlled cooling steam damage.
  • Such a new cooling arrangement is advantageous because it is passive. This means that no complex Leittech ⁇ nik and no control valves for temperature control of the cooling medium are required. Due to the low temperature ⁇ differences in the component is a low thermal stress, a small additional local distortion by cooling and a more robust behavior with short-term failure of the cooling achieved.
  • the Strö ⁇ tion machine is formed double-flow. This means that the shield covers an area that allows the incoming steam to flow into a first flood and a second flood.
  • thedeffenzuer ⁇ tion is designed such that during operation of the cooling steam tan ⁇ gential hits the rotor.
  • thedeffenzutile ⁇ tion is not achieved radially through the shield, but essentially guided in the circumferential direction, so that the cooling ⁇ steam undergoes a twist in the area between the shield and the rotor.
  • the lead may be formed such that a vapor ström Scheme tangentially meets in operation from the A ⁇ on the rotor.
  • Influence area in the space between the shield and rotor leads.
  • Figure 1 is a schematic representation of a Dampfkraftan- location 2 is a schematic representation of the invention in Be ⁇ drove a schematic representation of the invention in case of failure of the coolant supply a side view of the inventive arrangement a side view of the inventive arrangement in an alternative embodiment.
  • the steam power plant 1 comprises a high-pressure turbine ⁇ part 2, which has a live steam supply 3 and a high pressure steam outlet 4.
  • a live steam flows from a main steam line 5, where ⁇ was generated in the steam in a steam generator 6.
  • a live steam valve 7 is arranged ⁇ , which controls the flow of live steam through the high-pressure turbine part 2.
  • a quick-closing valve is arranged (not shown), which closes the steam supply to the high pressure turbine part 2 in case of failure.
  • the steam After flowing through the Steam through the high pressure turbine part 2, wherein the steam in the high pressure turbine section 2 converts the thermal energy in Rotati ⁇ onsenergie the rotor 21, the steam flows from the high pressure steam outlet 4 in a cold reheater line 8.
  • the steam in the cold reheater line 8 is in comparison is to the steam parameters of the live steam in the steam pipe 5 such that it can be intermediate ⁇ superheated steam is used as cold coolant, which illustrates schematically in Figure 1 by the coolant line 9 ones shown,.
  • the cold reheater steam is heated in a reheater 10 and leads via a hot intermediate ⁇ superheater 11 to a medium-pressure turbine section 12 ge ⁇ .
  • the coolant line 9 can be led to the medium-pressure part turbine ⁇ 12 in the inflow (not shown).
  • the rotor of the intermediate pressure turbine section 12 is rotationally ⁇ torque-transmitting manner with the rotor of the high pressure turbine section 2 and with the rotor 21 of a low pressure turbine section 13 ver ⁇ prevented.
  • an electric generator 14 is torque-transmitting ⁇ connected to the rotor 21 of the low-pressure turbine section. 13
  • the chosen intermediate pressure turbine section 12 includes a first 29 and a second 30 flow.
  • the steam from the Mittelbuchdampfaus- lässen 15 is guided in an overflow line 16 to the low pressure turbine section ⁇ . 13 After flowing through the Nie ⁇ derdruckteilturbine 13, the steam flows into a condenser 17 and will condense there to water. Subsequently, the vapor converted into water in the condenser 17 flows via a line 18 to a pump 19 and from there the water is led to the steam generator 6.
  • the high-pressure turbine part 2, the medium-pressure turbine part 12 and the low-pressure turbine part 13 are referred to as steam turbine and represents an embodiment of a turbomachine.
  • 2 shows a representation of the invention Anord ⁇ planning can be seen. 2 shows in particular an inflow ⁇ area 20 of the medium-pressure turbine section 12.
  • the medium-pressure turbine ⁇ part 12 includes a rotor 21, which axis is a Rotation- is rotatably supported 22nd
  • the rotor 21 includes a plurality of blades 23 disposed in grooves (not shown) on the rotor surface 24. Between the running show ⁇ blades 23 vanes 25 are arranged, which are held on a Ge ⁇ housing (not shown).
  • a first guide blade row 26 is formed such that this routing blade row ⁇ 26 holds a shield 27th
  • the shield 27 is formed such that a flowing vapor ⁇ steerable in operation in the inflow ⁇ area 20 in a flow channel 28 decreases. Since the Mittelbuchteil- shown in Figure 2 the turbine 12 is a first flow 29 and a second flow includes ⁇ 30, the flow channel 28 is divided into a first Strö ⁇ flow duct 31 and a second flow channel 32nd The incoming steam 33 is thus diverted to a first steam 34 and a second steam 35.
  • the first vapor 34 flows into the first flow channel 31.
  • the second vapor 35 flows into the second flow channel 32.
  • the intermediate-pressure turbine 12 (not constitute provided ⁇ ) comprises a housing which is arranged around the rotor 21, wherein between the rotor 21 and the housing of the first flow channel 31 and the second flow channel 32 are formed, wherein the ERS ⁇ te flow passage 31 and the second flow channel 32 with the inflow region 20 are fluidically connected to each other.
  • the term steam is to be understood as meaning a flow medium which, in addition to water vapor, may be ammonia or a vapor / CO 2 mixture.
  • the shield 27 has a coolant supply 36, which is designed such that in operation, a cooling steam in ei ⁇ nen cooling region 37, which is disposed between the shield 27 and the rotor 21, flows.
  • cooling steam is a vapor used from the coolant line 9, which comes from the cold reheater line 8. It can be used in alternative embodiments, another cooling steam.
  • the cooling steam from the coolant supply 36 thus flows onto the rotor surface 24 and cools a thermally stressed area, which is represented by a parabolic gray zone 38 Darge ⁇ .
  • the temperature is shown in shades of gray. As can be seen in FIG. 2, the gray tone in the parabolic gray zone 38 is a little darker than the gray tones of the rotor 21. This means that the temperature in the parabolic gray zone 38 is greater than the temperature of the rotor 21.
  • a line is now erfindungsge ⁇ Telss arranged in the shield 27. 39
  • This conduit 39 provides a flow connection Zvi ⁇ rule forth the cooling region 37 and the inflow 20th
  • the line 39 may be performed as a bore or with multiple holes ⁇ . These holes can be executed distributed on the circumference.
  • the line 39 may be arranged symmetrically to the parabolic gray zone 38, which means that the line 39 is arranged in the direction of a central inflow direction 40. In Figure 2, the line 39 is not in the same direction as the central inflow 40 Darge ⁇ presents, but a small distance further to the right.
  • FIG. 4 shows a side view of the arrangement according to the invention.
  • the coolant supply 36 is formed in a first embodiment in the radial direction 41 towards the axis of rotation. This means that during operation the cooling steam strikes the rotor 21 radially.
  • the line 39 is formed according to Figure 4 such that in operation, a steam from the inflow radially to the rotor 21 hits.
  • FIG. 5 shows an alternative embodiment to the embodiment shown in Figure 4.
  • Figure 5 shows that the cooling medium supply is configured such ⁇ 36 that tangentially strikes in the operation of the cooling steam to the rotor 21st
  • the coolant supply 36 is carried out substantially in such a way that the shield receives a bore through which the steam can strike the rotor 21 tangentially. This leads to a twist of the vapor located in the cooling region 37.
  • the line 39 is also formed in an alternative embodiment such that in operation, a steam from the Ein ⁇ ström Scheme 20 tangentially to the rotor 21 strikes. This leads to a better mixing in the cooling area 37.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Dampfturbine (2, 12, 13), mit einer Abschirmung (27) und einer Kühlmittelzuführung (36), die einen kalten Zwischenüberhitzerdampf auf den Rotor (21) strömt, wobei zusätzlich in die Abschirmung (27) Zuführungsbohrungen angeordnet sind, die einen Teil des heißen Einströmdampfes in den Kühlbereich (37) zwischen Abschirmung (27) und Rotor (21) bringt, um dadurch eine bessere Vermischung zu haben, um die Temperatur des Rotors (21) an dieser thermisch belasteten Stelle zu erhöhen, damit in einem Störfall (Ausfall der Kühlmittelleitung) der Temperaturwechsel moderat ausfällt.

Description

Beschreibung
Kontrollierte Kühlung von Turbinenwellen
Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Dampfturbine, mit einem Einströmbereich zum Zuführen von Dampf, einen drehbar gelagerten Rotor, ein Gehäuse, das um den Rotor angeordnet ist, wobei zwischen dem Rotor und dem Gehäuse ein Strömungskanal ausgebildet ist, wobei der Strö¬ mungskanal mit dem Einströmbereich strömungstechnisch miteinander verbunden ist, mit einer Abschirmung, die derart ausgebildet ist, dass im Betrieb ein in den Einströmbereich strömender Dampf in den Strömungskanal ablenkbar ist, wobei die Abschirmung eine Kühlmittelzuführung aufweist, die derart ausgebildet ist, dass im Betrieb ein Kühldampf in einen Kühl¬ bereich, der zwischen der Abschirmung und dem Rotor angeord¬ net ist, strömbar ist.
Strömungsmaschinen wie beispielsweise Dampfturbinen werden durch ein Strömungsmedium beströmt, das in der Regel hohe Temperaturen und Drücke aufweist. So wird in einer Dampftur¬ bine als Ausführungsform einer Strömungsmaschine Dampf als Strömungsmedium verwendet. Die Dampfparameter im Frischdampf- einströmbereich sind derart hoch, dass die Dampfturbine an verschiedenen Stellen thermisch stark belastet ist. So sind beispielsweise im Einströmbereich der Dampfturbine die Mate¬ rialien thermisch stark belastet. Eine Dampfturbine umfasst im Wesentlichen eine Turbinenwelle, die drehbar gelagert ist, sowie ein um die Turbinenwelle angeordnetes Gehäuse. Die Tur¬ binenwelle wird durch die Temperatur des einströmenden Damp¬ fes thermisch stark belastet. Es gilt: Je höher die Tempera¬ tur, umso höher ist die thermische Belastung. An den Rotor werden Turbinenschaufeln in sogenannten Nuten angeordnet. Im Betrieb erfahren die Nuten eine hohe mechanische Belastung. Die thermische Belastung senkt allerdings die ertragbare me¬ chanische Belastung durch Rotation und Zusatzbelastung durch die am Rotor befestigten Schaufeln. Aus thermodynamischer Sicht ergibt es Sinn, die Eingangstem¬ peratur des Dampfes zu erhöhen, da der Wirkungsgrad mit höhe¬ rer Eintrittstemperatur steigt. Um die Belastbarkeit der in der Dampfturbine verwendeten Materialien bei hohen Temperatu¬ ren auszuweiten, werden die Einströmbereiche der Welle ge¬ kühlt. Sofern eine geeignete Kühlmethode entwickelt werden kann, kann man auf den Wechsel auf ein höherwertigeres , aber teureres Material verzichten.
Eine Dampfturbinenanlage umfasst zumindest einen Dampferzeu¬ ger und eine erste als Hochdruckteilturbine ausgebildete Dampfturbine sowie weitere Teilturbinen, die als Mitteldruck¬ bzw. Niederdruckteilturbinen ausgebildet sind. Nach der
Durchströmung des Frischdampfes durch die Hochdruckteiltur¬ bine wird der Dampf in einem Zwischenüberhitzer wieder auf eine hohe Temperatur erhitzt und in die Mitteldruckteiltur¬ bine geführt. Der Dampf, der aus der Hochdruckteilturbine kommt, wird als kalter Zwischenüberhitzerdampf bezeichnet und ist vergleichsweise kühl im Vergleich zum Frischdampf. Dieser kalte Zwischenüberhitzerdampf wird als Kühlmedium verwendet.
Das bedeutet, dass der kalte Zwischenüberhitzerdampf in den Eintrittsbereich der Dampfturbine geführt wird und dort die Materialtemperatur absenkt. Allerdings ist es so, dass der kalte Zwischenüberhitzerdampf im Eintrittsbereich beispiels¬ weise einer Mitteldruckteilturbine zu sehr großen Temperatur¬ differenzen führt. Dies führt zu dem Nachteil, dass trotz der Kühlung lokal hohe Temperaturgradienten und dadurch hohe thermische Spannungen auftreten. Außerdem kann es zu lokalen Formveränderungen kommen, die durch thermischen Verzug durch ungleiche thermische Ausdehnung erzwungen wird, da stark ge¬ kühlte und ungekühlte Bereiche nebeneinander angeordnet sind. Des Weiteren kann bei einem Ausfall der Kühlung, d. h. dass der kalte Zwischenüberhitzerdampf nicht zur Verfügung steht und somit einen Fehlerfall bildet, thermische Schocks auftre¬ ten, die zu extrem starken thermischen Spannungen führen. Im Fehlerfall, das bedeutet, bei einem Ausfall der Kühlung dehnt sich die zuvor gekühlte Welle signifikant aus. Diese thermische Ausdehnung ist konstruktiv zu berücksichtigen und erschwert die Kühlmittelführung und Abdichtung des gekühlten Bereiches.
Das Dokument DE 34 06 071 AI offenbart eine Abschirmung, wo¬ bei die Abschirmung lediglich eine Kühldampfleitung aufweist, aber keine zusätzliche Leitung.
An dieser Stelle setzt die Erfindung an. Aufgabe der Erfin¬ dung ist es, eine verbesserte Kühlung für eine Dampfturbine anzugeben . Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Strömungsmaschine, ins¬ besondere Dampfturbine, mit einem Einströmbereich zum Zufüh¬ ren von Dampf, einem drehbar gelagerten Rotor, ein Gehäuse, das um den Rotor angeordnet ist, wobei zwischen dem Rotor und dem Gehäuse ein Strömungskanal ausgebildet ist, wobei der Strömungskanal mit dem Einströmbereich strömungstechnisch miteinander verbunden ist, mit einer Abschirmung, die derart ausgebildet ist, dass im Betrieb ein in den Einströmbereich strömender Dampf in den Strömungskanal ablenkbar ist, wobei die Abschirmung eine Kühlmittelzuführung aufweist, die derart ausgebildet ist, dass im Betrieb ein Kühldampf in einem Kühl¬ bereich, der zwischen der Abschirmung und dem Rotor angeord¬ net ist, strömbar ist, wobei die Abschirmung eine Leitung aufweist, die eine strömungstechnische Verbindung zwischen dem Kühlbereich und dem Einströmbereich herstellt.
Die Erfindung bezieht sich somit auf Strömungsmaschinen, ins¬ besondere Dampfturbinen, die eine Abschirmung umfassen, die im Einströmbereich angeordnet ist und die Welle vor dem hei¬ ßen Strömungsmedium abschirmt. Zur Kühlung wird eine Kühlmit- telzuführung verwendet, die im Betrieb einen Kühldampf zum
Rotor führt. Die Erfindung verfolgt folgenden Gedanken: Bis¬ her wurde eine vergleichsweise starke Kühlung des Rotors im Kühlbereich, d. h. zwischen Abschirmung und Rotoroberfläche erwirkt. Gekühlt wird mit einem kalten Zwischenüberhitzer¬ dampf, der allerdings zu einer sehr starken Abkühlung des Ro¬ tors im Einströmbereich führt. Im Falle eines Ausfalls des Kühlmittels erwärmt sich der Rotor in diesem Bereich sehr stark, was zu unerwünschten extremen thermischen Wechselbe¬ lastungen führt. Um dies zu vermeiden wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, neben der Kühlmittelzuführung die Abschirmung mit einer Leitung auszubilden, durch die der Frischdampf in den Raum zwischen dem Rotor und der Abschirmung strömen kann. Die Durchflussrate des Kühlmittels und die Durchflussrate des Frischdampfes durch die Leitung wird dabei derart gewählt, dass sich die Temperatur des Rotors im Einströmbereich bis zu einem Grenzwert erwärmt. Dieser Grenzwert ist dabei derart gewählt, dass bei einem Ausfall des Kühlmediums eine Erwär¬ mung auf die maximale Temperatur, d. h. auf die Erwärmung oh¬ ne Kühlmittel moderat ist.
Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, eine passive Misch¬ kühlung zu realisieren, durch Bohrungen, die klein ausgeführt werden können, in der Abschirmung dem Kühldampf aus der Kühl¬ mittelzuführung eine gewisse Menge Frischdampf zuzuführen. Dadurch kann durch geeignete Wahl der Leitungen eine geeig¬ nete Mischtemperatur eingestellt werden.
Unter dem Begriff Dampf ist ein Strömungsmedium zu verstehen, dass neben Wasserdampf Ammoniak oder ein Dampf-C02-Gemisch sein kann.
Mit der Erfindung wird somit vermieden, dass die Welle durch unsicheres Versagensverhalten bei Kühlung mit sehr kaltem Zwischenüberhitzerdampf bzw. aufwändiger leittechnischer Um¬ setzung bei temperaturgesteuertem Kühldampf einen Schaden hervorruft. Vorteilhaft ist solch eine neue Kühlanordnung, da sie passiv ist. Das bedeutet, dass keine aufwändige Leittech¬ nik sowie keine Regelventile zur Temperaturkontrolle des Kühlmediums erforderlich sind. Durch die geringen Temperatur¬ differenzen im Bauteil wird eine geringe thermische Spannung, ein geringer zusätzlicher lokaler Verzug durch Kühlung sowie ein robusteres Verhalten bei kurzzeitigem Ausfall der Kühlung erreicht .
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gegeben .
In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung ist die Strö¬ mungsmaschine zweiflutig ausgebildet. Das bedeutet, dass die Abschirmung einen Bereich abdeckt, der den einströmenden Dampf in eine erste Flut und eine zweite Flut strömen lässt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Kühlmittelzufüh¬ rung derart ausgebildet, dass im Betrieb der Kühldampf tan¬ gential auf den Rotor trifft. Somit wird die Kühlmittelzufüh¬ rung nicht radial durch die Abschirmung erreicht, sondern im Wesentlichen in Umfangsrichtung geführt, so dass der Kühl¬ dampf einen Drall in den Bereich zwischen der Abschirmung und dem Rotor erfährt. Ebenso kann in vorteilhafter Weiterbildung die Leitung derart ausgebildet sein, dass im Betrieb ein Dampf aus dem Ein¬ strömbereich tangential auf den Rotor trifft. Hier wird eben¬ so vorgeschlagen, die Leitung nicht radial durch die Abschir¬ mung auszubilden, sondern eine tangentiale Komponente zu be- rücksichtigen, die zu einem Drall des Dampfes aus dem
Einströmbereich in den Raum zwischen Abschirmung und Rotor führt .
Bei der tangentialen Anordnung der Kühlmittelzufuhr kann bei Ausfall der Kühlung eine Restkühlwirkung durch die drallbe¬ haftete Einströmung des Frischdampfes erhalten werden.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam¬ menhang der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert wer¬ den . Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Dieses soll die Ausführungsbei¬ spiele nicht maßgeblich darstellen, vielmehr ist die Zeich- nung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter
und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der in der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Leh¬ ren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Es zeigen
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Dampfkraftan- lage Figur 2 eine schematische Darstellung der Erfindung in Be¬ trieb eine schematische Darstellung der Erfindung bei Ausfall der Kühlmittelzuführung eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Anordnung eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Anordnung in einer alternativen Ausführungsform.
Die Figur 1 zeigt eine Dampfkraftanlage 1 in einer schemati¬ schen Übersicht. Die Dampfkraftanlage 1 umfasst eine Hoch¬ druckteilturbine 2, die eine Frischdampfzufuhr 3 und einen Hochdruckdampfauslass 4 aufweist. Durch die Frischdampfzufuhr 3 strömt ein Frischdampf aus einer Frischdampfleitung 5, wo¬ bei der Frischdampf in einem Dampferzeuger 6 erzeugt wurde. In der Frischdampfleitung 5 ist ein Frischdampfventil 7 ange¬ ordnet, das den Durchfluss des Frischdampfes durch die Hoch- druckteilturbine 2 regelt. Des Weiteren ist in der Frisch¬ dampfleitung 5 ein Schnellschlussventil angeordnet (nicht dargestellt) , das in einem Fehlerfall die Dampfzufuhr zur Hochdruckteilturbine 2 verschließt. Nach Durchströmen des Dampfes durch die Hochdruckteilturbine 2, wobei der Dampf in der Hochdruckteilturbine 2 die thermische Energie in Rotati¬ onsenergie des Rotors 21 umwandelt, strömt der Dampf aus dem Hochdruckdampfauslass 4 in eine kalte Zwischenüberhitzerlei- tung 8. Der Dampf in der kalten Zwischenüberhitzerleitung 8 ist im Vergleich zu den Dampfparametern des Frischdampfes in der Frischdampfleitung 5 derart, dass dieser kalte Zwischen¬ überhitzerdampf als Kühlmittel verwendet werden kann, was in der Figur 1 durch die Kühlmittelleitung 9 schematisch darge- stellt ist. Der kalte Zwischenüberhitzerdampf wird in einem Zwischenüberhitzer 10 erwärmt und über eine heiße Zwischen¬ überhitzerleitung 11 zu einer Mitteldruckteilturbine 12 ge¬ führt. Die Kühlmittelleitung 9 kann zu der Mitteldruckteil¬ turbine 12 in den Einströmbereich geführt werden (nicht dar- gestellt) . Der Rotor der Mitteldruckteilturbine 12 ist dreh¬ momentübertragend mit dem Rotor der Hochdruckteilturbine 2 sowie mit dem Rotor 21 einer Niederdruckteilturbine 13 ver¬ bunden. Ebenso ist ein elektrischer Generator 14 drehmoment¬ übertragend mit dem Rotor 21 der Niederdruckteilturbine 13 verbunden. Nach der Durchströmung des Dampfes durch die Mit¬ teldruckteilturbine 12 strömt der Dampf aus Mitteldruckdampf- auslassen 15 zu der Niederdruckteilturbine 13. Die in Figur 1 gewählte Mitteldruckteilturbine 12 umfasst eine erste 29 und eine zweite 30 Flut. Der Dampf aus den Mitteldruckdampfaus- lässen 15 wird in einer Überströmleitung 16 zu der Nieder¬ druckteilturbine 13 geführt. Nach Durchströmen durch die Nie¬ derdruckteilturbine 13 strömt der Dampf in einen Kondensator 17 und wird dort zu Wasser kondensieren. Anschließend fließt der im Kondensator 17 zu Wasser umgewandelte Dampf über eine Leitung 18 zu einer Pumpe 19 und von dort wird das Wasser zum Dampferzeuger 6 geführt.
Die Hochdruckteilturbine 2, die Mitteldruckteilturbine 12 und die Niederdruckteilturbine 13 wird als Dampfturbine bezeich- net und stellt eine Ausführungsform einer Strömungsmaschine dar . In Figur 2 ist eine Darstellung der erfindungsgemäßen Anord¬ nung zu sehen. Die Figur 2 zeigt insbesondere einen Einström¬ bereich 20 der Mitteldruckteilturbine 12. Die Mitteldruck¬ teilturbine 12 umfasst einen Rotor 21, der um eine Rotation- sachse 22 drehbar gelagert ist. Der Rotor 21 umfasst mehrere Laufschaufeln 23, die in Nuten (nicht dargestellt) auf der Rotoroberfläche 24 angeordnet sind. Zwischen den Laufschau¬ feln 23 sind Leitschaufeln 25 angeordnet, die an einem Ge¬ häuse gehalten sind (nicht dargestellt) . Eine erste Leit- schaufelreihe 26 ist derart ausgebildet, dass diese Leit¬ schaufelreihe 26 eine Abschirmung 27 hält. Die Abschirmung 27 ist derart ausgebildet, dass im Betrieb ein in den Einström¬ bereich 20 strömender Dampf in einen Strömungskanal 28, ab¬ lenkbar ist. Da die in Figur 2 dargestellte Mitteldruckteil- turbine 12 eine erste Flut 29 und eine zweite Flut 30 auf¬ weist, teilt sich der Strömungskanal 28 in einen ersten Strö¬ mungskanal 31 und einen zweiten Strömungskanal 32 auf. Der einströmende Dampf 33 wird somit zu einem ersten Dampf 34 und einem zweiten Dampf 35 umgelenkt. Der erste Dampf 34 strömt in den ersten Strömungskanal 31. Der zweite Dampf 35 strömt in den zweiten Strömungskanal 32.
Die Mitteldruckteilturbine 12 umfasst ein Gehäuse (nicht dar¬ gestellt) , das um den Rotor 21 angeordnet ist, wobei zwischen dem Rotor 21 und dem Gehäuse der erste Strömungskanal 31 und der zweite Strömungskanal 32 ausgebildet sind, wobei der ers¬ te Strömungskanal 31 und der zweite Strömungskanal 32 mit dem Einströmbereich 20 strömungstechnisch miteinander verbunden sind .
Unter dem Begriff Dampf ist ein Strömungsmedium zu verstehen, dass neben Wasserdampf Ammoniak oder ein Dampf-C02-Gemisch sein kann. Die Abschirmung 27 weist eine Kühlmittelzuführung 36 auf, die derart ausgebildet ist, dass im Betrieb ein Kühldampf in ei¬ nen Kühlbereich 37, der zwischen der Abschirmung 27 und dem Rotor 21 angeordnet ist, strömt. Als Kühldampf wird ein Dampf aus der Kühlmittelleitung 9 verwendet, der aus der kalten Zwischenüberhitzerleitung 8 kommt. Es kann in alternativen Ausführungsformen ein anderer Kühldampf verwendet werden. Der Kühldampf aus der Kühlmittelzuführung 36 strömt somit auf die Rotoroberfläche 24 und kühlt einen thermisch beanspruchten Bereich, der durch eine parabelförmige Grauzone 38 darge¬ stellt ist. Die Temperatur ist in Grautönen dargestellt. Wie in Figur 2 zu sehen, ist der Grauton in der parabelförmigen Grauzone 38 ein wenig dunkler als die Grautöne des Rotors 21. Das bedeutet, dass die Temperatur in der parabelförmigen Grauzone 38 größer ist als die Temperatur des Rotors 21.
Zusätzlich zur Kühlmittelzuführung 36 wird nun erfindungsge¬ mäß eine Leitung 39 in der Abschirmung 27 angeordnet. Diese Leitung 39 stellt eine strömungstechnische Verbindung zwi¬ schen dem Kühlbereich 37 und dem Einströmbereich 20 her. Die Leitung 39 kann als Bohrung bzw. mit mehreren Bohrungen aus¬ geführt sein. Diese Bohrungen können auf dem Umfang verteilt ausgeführt sein. Die Leitung 39 kann symmetrisch zur parabel- förmigen Grauzone 38 angeordnet sein, das bedeutet, dass die Leitung 39 in Richtung einer zentralen Einströmungsrichtung 40 angeordnet ist. In Figur 2 ist die Leitung 39 nicht in gleicher Richtung wie die zentrale Einströmrichtung 40 darge¬ stellt, sondern eine kleine Distanz weiter rechts.
Die Figur 3 zeigt im Wesentlichen dieselbe Anordnung wie in Figur 2. Auf eine Wiederholung der Bezeichnung und Wirkungs¬ weise der Bauteile wird daher verzichtet. Der Unterschied in der Darstellung der Figur 3 liegt darin, dass ein Ausfall der Kühlmittelzuführung 36 durch ein Kreuz symbolisiert wird. Der Ausfall der Kühlmittelzuführung 36 führt zu einer Erwärmung des Kühlbereichs 37. Dies führt zu einer Änderung der Tempe¬ ratur in der parabelförmigen Grauzone 38. In der Figur 3 ist zu sehen, dass die Grautöne noch dunkler sind gegenüber der Grauzone in Figur 2. Das bedeutet, dass die Temperatur erhöht ist gegenüber dem normalen Betrieb, der in Figur 2 zu sehen ist. Allerdings ist der Temperaturunterschied zwischen dem normalen Betrieb, wie er in Figur 2 zu sehen ist, und dem 1
Störbetrieb, der in Figur 3 dargestellt ist, moderat. Das be¬ deutet, dass das Material des Rotors 21 einen vergleichsweise geringen Temperatursprung erfährt. Die Figur 4 zeigt eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Anordnung. Die Kühlmittelzuführung 36 wird in einer ersten Ausführungsform in radialer Richtung 41 zur Rotationsachse hin ausgebildet. Das bedeutet, dass im Betrieb der Kühldampf radial auf den Rotor 21 trifft. In ähnlicher Weise wird die Leitung 39 gemäß Figur 4 derart ausgebildet, dass im Betrieb ein Dampf aus dem Einströmbereich radial auf den Rotor 21 trifft .
Die Figur 5 zeigt eine alternative Ausführungsform zu der Ausführung gemäß Figur 4. Die Figur 5 zeigt, dass die Kühl¬ mittelzuführung 36 derart ausgebildet ist, dass im Betrieb der Kühldampf tangential auf den Rotor 21 trifft. Dazu wird die Kühlmittelzuführung 36 im Wesentlichen derart ausgeführt, dass die Abschirmung eine Bohrung erhält, durch die der Dampf tangential auf den Rotor 21 treffen kann. Das führt zu einem Drall des im Kühlbereich 37 befindlichen Dampfes. Die Leitung 39 wird ebenso in einer alternativen Ausführungsform derart ausgebildet, dass im Betrieb ein Dampf aus dem Ein¬ strömbereich 20 tangential auf den Rotor 21 trifft. Dies führt zu einer besseren Vermischung im Kühlbereich 37.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausfüh¬ rungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge- schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Patentansprüche
1. Strömungsmaschine, insbesondere Dampfturbine (2, 12,
13) ,
mit einem Einströmbereich (20) zum Zuführen von Dampf, einem drehbar gelagerten Rotor (21),
einem Gehäuse, das um den Rotor (21) angeordnet ist, wobei zwischen dem Rotor (21) und dem Gehäuse ein Strö- mungskanal (28) ausgebildet ist,
wobei der Strömungskanal (28) mit dem Einströmbereich (20) strömungstechnisch miteinander verbunden ist,
mit einer Abschirmung (27), die derart ausgebildet ist, dass im Betrieb ein in den Einströmbereich (20) strömender Dampf in den Strömungskanal (28) ablenkbar ist,
wobei die Abschirmung (27) eine Kühlmittelzuführung (36) aufweist, die derart ausgebildet ist, dass im Betrieb ein Kühldampf in einen Kühlbereich (37), der zwischen der Ab¬ schirmung (27) und dem Rotor (21) angeordnet ist, strömbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Abschirmung (27) eine Leitung (39) aufweist, die eine strömungstechnische Verbindung zwischen dem Kühlbereich (37) und dem Einströmbereich (20) herstellt.
2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1,
wobei die Strömungsmaschine zweiflutig ausgebildet ist.
3. Strömungsmaschine nach Anspruch 2,
wobei im Betrieb ein in den Einströmbereich (20) strömender Dampf durch die Abschirmung (27) zum Teil in eine erste Flut (29) und zum Teil in eine zweite Flut (30) ablenkbar ist.
4. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che,
wobei die Abschirmung (27) vor einer ersten Schaufelstufe angeordnet ist.
5. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che,
wobei die Abschirmung (27) um den Rotor (21) angeordnet ist .
6. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che,
wobei die Kühlmittelzuführung (36) derart ausgebildet ist, dass im Betrieb der Kühldampf radial auf den Rotor (21) trifft.
7. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Kühlmittelzuführung (36) derart ausgebildet ist, dass im Betrieb der Kühldampf tangential auf den Rotor (21) trifft.
8. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che,
wobei die Leitung (39) derart ausgebildet ist, dass im Be¬ trieb ein Dampf aus dem Einströmbereich (20) radial auf den Rotor (21) trifft.
9. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Leitung (39) derart ausgebildet ist, dass im Be¬ trieb ein Dampf aus dem Einströmbereich (20) tangential auf den Rotor (21) trifft.
10. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che,
mit einer Kühlmittelleitung, die direkt mit der Kühlmittel Zuführung (36) verbunden ist,
wobei im Betrieb der Kühldampf in der Kühlmittelleitung strömbar ist.
11. Dampfkraftanlage mit einer Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Kühlmittelzuführung (36) mit einer kalten
Zwischenüberhitzerleitung (8) verbunden ist.
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