WO2016066316A1 - Turbine mit axialdruckausgleich - Google Patents

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WO2016066316A1
WO2016066316A1 PCT/EP2015/071015 EP2015071015W WO2016066316A1 WO 2016066316 A1 WO2016066316 A1 WO 2016066316A1 EP 2015071015 W EP2015071015 W EP 2015071015W WO 2016066316 A1 WO2016066316 A1 WO 2016066316A1
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turbine
flow
pressure
line
compensation
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PCT/EP2015/071015
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Inventor
Alexander Blessing
Andreas Mucha
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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
    • F01D3/00—Machines or engines with axial-thrust balancing effected by working-fluid
    • F01D3/04—Machines or engines with axial-thrust balancing effected by working-fluid axial thrust being compensated by thrust-balancing dummy piston or the like
    • 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
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/30—Application in turbines
    • F05D2220/32—Application in turbines in gas turbines
    • F05D2220/321—Application in turbines in gas turbines for a special turbine stage
    • 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
    • F05D2260/15—Load balancing

Definitions

  • Turbine with Axialdruckaus GmbH The present invention relates to a turbine, in particular steam turbine, according to the preamble of claim 1.
  • Such a turbine comprises: a housing having an inlet for a working medium, an outlet for the working medium and a flow area arranged axially therebetween, and
  • axial thrust is advantageous, however, at least in part ⁇ as arranged by a flow on the region facing away from the axial side of the inlet pressure equalization structural ⁇ tur compensated.
  • pressure equalization structure is intended to include any (arranged on the said axial side of the inlet) structure in the present invention, which exploits the pressure of the ⁇ tempered working medium for the purpose of axially
  • ⁇ tempered working medium for the purpose of axially
  • ⁇ translated to the rotor thrust imparted or this pressure in such a thrust converts.
  • the axial thrust exerted in the actual flow region of the turbine is at least partially compensated.
  • the working medium acting on the pressure compensation structure can, for. B. an axially adjacent the pressure compensation structure, on the inlet of the turbine occurred and then un ⁇ indirectly acting on the pressure compensation structure working medium.
  • the term "inlet” is to be interpreted very broadly in the context of the invention. So this inlet according to the invention in particular z. B. also a so-called ⁇ wheel chamber or other housed in the turbine housing devices for regulating the working medium supply
  • a steam turbine is then called live steam.
  • the working medium acting on the pressure compensation structure in the context of the invention may also act, starting from a region of the turbine, on the pressure compensation structure, in which the working medium is already appreciably relaxed.
  • a steam turbine is then no longer live steam but steam from an inlet (or optionally the wheel chamber) subsequent turbine stage.
  • the compensation line is equipped with a valve device which prevents a flow through the compensation line in the direction of the flow area to the pressure compensation structure.
  • the valve device can be realized in a variety of ways, for example by using an active on the basis of a detection of the flow direction or the relevant pressure conditions by means of an actuator, if necessary, be ⁇ actuated valve.
  • the valve device is of a self-medium actuated valve such.
  • a check valve eg., Non-return valve
  • the return flow d. H. a
  • this axialschubkompens Schlierende blading leaving Ar ⁇ beitsmedium is usually (via an annular space radially intermediate see an inner turbine housing and an outer turbine housing) led to the actual flow region of the turbine and initiated there for further relaxation.
  • the problem underlying the invention usually should not be excluded ⁇ to use the measure according to the invention also in this turbine type.
  • an exporting ⁇ tion of the pressure compensating structure is particularly interesting for practical application such that these (at least) comprises a so-called balance piston which is formed by a radially projecting protrusion on the rotor.
  • Such a projection can, for. B. integrally formed with the rotor, wherein a remaining on the outer circumference of this compensation ⁇ piston or projection annular gap can be limited radially outward by the inner circumference of a housing side provided at this axial point sealing shell.
  • the interpretable by the construction annular gap then represents a dimensionable in the desired manner path for flow through the compensation device.
  • a compensation line assigned to the compensation piston can lead away from the pressure compensation structure on the axial side of the compensation piston remote from the flow region.
  • a compensation line can also lead away from the pressure compensation structure from the axial side of the compensation piston facing the flow region. This is especially true if an axially even closer to the flow region arranged portion of the pressure equalization structure, z. B. has a flow-area-side axial end of the pressure compensation structure, a pressure-reducing annular gap, not to the unimpeded inlet pressure to rest at the entrance of such a compensation line.
  • the pressure compensation structure may also comprise a plurality of axially mutually spaced compensating piston, so z.
  • a preferred use of the turbine is the use as a steam turbine, in particular Kondensationsdampfturbine in a steam turbine plant with water-steam cycle.
  • the turbine in question can in the flow area z. B. several ⁇ re axially successively arranged turbine stages with respective blades having (z. B. from structurally together quantitative summarized blades and, if necessary, to meshingly disposed vanes), z. B. a high-pressure stage, optionally one or more medium-pressure stages, and a low-pressure stage.
  • the compensating line, or at least one of several bonding conductors such can.
  • B open at one point axially between two adjacent turbine stages in the flow area.
  • the compensation line can, for. B. away from the pressure compensation structure initially substantially radially outward and out of a turbine medium-flowed through the working area limiting housing part out. Outside this housing part or housing, the compensation line can then extend in the axial direction, in order to finally run back into the housing part located there and thus the flow region at the respective point of confluence.
  • FIG. 1 shows a steam turbine according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a steam turbine 10, comprising a housing 12 with an inlet 14 for live steam, an outlet 16 for exhaust steam and an axially arranged therebetween flow area 18 for the working medium, here z.
  • a steam turbine 10 comprising a housing 12 with an inlet 14 for live steam, an outlet 16 for exhaust steam and an axially arranged therebetween flow area 18 for the working medium, here z.
  • the working medium here z.
  • the turbine 10 further includes an axially oriented, rotatably mounted rotor 20 with a blading in the flow area 18.
  • the axis of rotation of the rotor 20, which also defines the axial direction of the turbine 10, is designated in FIG.
  • the blading in FIG. 1 is realized by two turbine drums 22 - 1 and 22 - 2 connected one behind the other in the axial direction A.
  • the blading of the rotor 20 in the region of the drum 22-1 consists of radially projecting blade rings, which mesh in a conventional manner with stationary arranged on the inside of the housing Leitschaufelkränzen.
  • a guide vane carrier provided for this purpose is symbolized at 24-1.
  • Drum 22-2 is implemented in an analogous manner, ie also as rotor blades rotating with the rotor 20, which mesh with vanes held on a vane support 24-2.
  • the inlet 14 in a controlled manner live steam z. B. with a temperature of typically several 100 ° C and a pressure of typically z. B. about 100 to 250 bar.
  • a pressure compensation structure 30 is provided, which is formed in the illustrated example
  • first sealing shell 32 for forming a first annular gap 34 (between the outer circumference of the rotor 20 and the inner circumference of the sealing shell 32),
  • a compensation piston 36 arranged axially in front of the first annular gap 34 (in FIG. 1 further to the left)
  • a third sealing shell 42 arranged axially in front of the second annular gap 40 in FIG. 1 to form a third annular gap 44 (between the outer circumference of the second annular gap 40)
  • Labyrinth seals be provided in order to set the respective flow rates comparatively small (without providing particularly small gap dimensions).
  • the third sealing shell 42 with the annular gap 44 formed therefrom can in principle also be considered as part of an already required sealing of the turbine 10 at one axial end of the turbine housing (here: housing 12).
  • housing 12 housing 12
  • the best possible sealing is desirable (since each mass flow through each annulus a leakage current and thus energy loss means).
  • Fig. 1 it can be seen that on the one hand between the annular gaps 34 and 40 and on the other hand between the annular gaps 40 and 44 is each an "annular space", and in that this annular spaces open out in each case into one of two so-called off ⁇ equal lines 50-1 and 50-2.
  • the compensation lines 50-1, 50-2 lead away from the pressure compensation structure 30, respectively, and enter the flow area 18 at different points 52-1 and 52-2.
  • the first compensation line 50-1 leads from the
  • the pressure compensation structure 30 represents a means which, on the axial side of the inlet 14 facing away from the flow region 18, exerts an axial thrust on the rotor 20 which is directed to the left in FIG. 1 during operation of the turbine 10, so that the opposite, in the flow direction S on the Runner 20 acting axial thrust (in whole or in part) kompen ⁇ Siert.
  • the compensating axial thrust force is calculated as the difference between the thrust forces acting on the compensating piston 36 on both sides in the axial direction A. Due to the viewed in Fig. 1 from right to left ste ⁇ tig falling pressure in the pressure equalization structure 30 of the pressure downstream of the balancing piston 36 (in Fig. 1 the right of the piston 36) is greater than the pressure in front of the compensation piston 36 (in Figure 1 to the left of this piston 36).
  • this is a "Einlassbe ⁇ rich" of the turbine 10 flows a portion of the working medium (in this case water vapor) through the first annular gap 34 and thus passes into the annular space before the first Annular gap 34. From there, in turn, a portion of the steam flows through the first equalization line 50-1 at a point 52-1 in the
  • the pressure in the confluence part 52-1 is chosen to be smaller than after the annular gap 34 and larger than in front of the annular gap 40, and that in "normal" operating cases, a flow from the annular space in front of the annular gap 34 in the compensation line 52-1 takes place. That is, the mass flow required by the annular gap 40 is smaller than the mass flow required by the annular gap 34 (the difference between these mass flows branches off into the equalization line 50-1).
  • the second compensation line 50-2 opens into the flow region 18 at a point 54-2 located farther to the rear (in FIG. 1 further to the right).
  • the mass flow required by the annular gap 40 may increase is as required by the annular gap 34 mass flow.
  • one or both of the equalizing lines 50-1, 50-2 may be used a preventive valve device are equipped.
  • the first equalization line 50-1 is equipped with a check valve 54-1, with an orientation in which a flow through the equalization line 50-1 from the pressure compensation structure 30 to the flow area 18 is made possible, but not in the opposite direction.
  • a non-return valve eg., In the form of a non-return flap ⁇
  • a non-return valve eg., In the form of a non-return flap ⁇
  • a flow-area-side axial end of the pressure compensation structure has a pressure-reducing annular gap (here: annular gap 34). This is feasible by a suitable sized arrangement of a sealing shell (as shown) and / or a balance piston at this point.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbine, insbesondere eine Dampfturbine, umfassend ein Gehäuse (12) mit einem Einlass (14) für ein Arbeitsmedium, einem Auslass (16) für das Arbeitsmedium und einem axial dazwischen angeordneten Strömungsbereich (18), und einen in Axialrichtung (A) orientierten, drehbar gelagerten Läufer (20) mit einer Beschaufelung (22-1, 22-2) im Strömungsbereich (18), wobei die Turbine (10) auf der dem Strömungsbereich (18) abgewandten axialen Seite des Einlasses (14) wenigstens eine von einem Teil des eingelassenen Arbeitsmediums durchströmbare Druckausgleichsstruktur (30) aufweist, von welcher aus wenigstens eine Ausgleichsleitung (50-1, 50-2) wegführt und in den Strömungsbereich (18) einmündet (52-1, 52-2). Erfindungsgemäß ist die Ausgleichsleitung (50-1, 50-2) mit einer Ventileinrichtung (54-1) ausgestattet, die eine Durchströmung der Ausgleichsleitung (50-1, 50-2) in Richtung vom Strömungsbereich (18) zur Druckausgleichstruktur (30) verhindert.

Description

Beschreibung
Turbine mit Axialdruckausgleich Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbine, insbesondere Dampfturbine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Turbine umfasst: - ein Gehäuse mit einem Einlass für ein Arbeitsmedium, einem Auslass für das Arbeitsmedium und einem axial dazwischen angeordneten Strömungsbereich, und
- einen in Axialrichtung orientierten, drehbar gelagerten Läufer mit einer Beschaufelung im Strömungsbereich, wobei die Turbine auf der dem Strömungsbereich abgewand¬ ten axialen Seite des Einlasses wenigstens eine von einem Teil des eingelassenen Arbeitsmediums durchströmbare Druckausgleichsstruktur aufweist, von welcher aus wenigstens eine Ausgleichsleitung wegführt und in den Strö¬ mungsbereich einmündet.
Derartige Dampfturbinen mit "Axialschubausgleich" sind aus dem Stand der Technik wohlbekannt. Das dem Schubausgleich zugrundeliegende Problem besteht darin, dass im Betrieb der Turbine das vom Turbineneinlass über den Strömungsbereich zum Turbinenauslass strömende Arbeitsmedium nicht nur einen Dreh¬ antrieb des Läufers bewirkt, sondern prinzipbedingt auch eine in Axialrichtung auf den Läufer wirkende Schubkraft hervorruft .
Ein derartiger Axialschub ist in der Regel vor allem deshalb nachteilig, weil dies den Aufwand für die Drehlagerung (ins- besondere möglichst verlustarme Drehlagerung) des Läufers vergrößert . Diese Problematik tritt in geringerem Ausmaß bei so genannten Aktionsturbinen bzw. Gleichdruckturbinen auf, in erhöhtem Ausmaß jedoch bei sogenannten Reaktionsturbinen bzw. Überdruckturbinen .
Bei der gattungsgemäßen Turbine wird der im Strömungsbereich hervorgerufene Axialschub jedoch vorteilhaft zumindest teil¬ weise durch eine auf der dem Strömungsbereich abgewandten axialen Seite des Einlasses angeordnete Druckausgleichsstruk¬ tur kompensiert.
Der Begriff "Druckausgleichsstruktur" soll im Rahmen der Erfindung jede (auf der genannten axialen Seite des Einlasses angeordnete) Struktur umfassen, welche den Druck des einge¬ lassenen Arbeitsmediums zur Ausübung einer axial entgegenge¬ setzten auf den Läufer wirkenden Schubkraft ausnutzt bzw. diesen Druck in eine solche Schubkraft umsetzt. Damit wird der im eigentlichen Strömungsbereich der Turbine ausgeübte Axialschub wenigstens teilweise kompensiert.
Das auf die Druckausgleichsstruktur wirkende Arbeitsmedium kann z. B. ein axial benachbart der Druckausgleichsstruktur, über den Einlass der Turbine eingetretenes und daraufhin un¬ mittelbar auf die Druckausgleichsstruktur wirkendes Arbeitsmedium sein. Der Begriff "Einlass" ist im Rahmen der Erfindung sehr umfassend auszulegen. So kann dieser Einlass im Sinne der Erfindung insbesondere z. B. auch noch eine so ge¬ nannte Radkammer oder andere im Turbinengehäuse untergebrachte Einrichtungen zur Regelung der Arbeitsmediumzufuhr
mitumfassen. Bei einer Dampfturbine handelt es sich dann um so genannten Frischdampf.
Alternativ kann das auf die Druckausgleichsstruktur wirkende Arbeitsmedium im Rahmen der Erfindung jedoch auch ausgehend von einem Bereich der Turbine auf die Druckausgleichsstruktur wirken, in welchem das Arbeitsmedium bereits nennenswert entspannt ist. Bei einer Dampfturbine handelt es sich dann nicht mehr um Frischdampf, sondern um Dampf aus einer dem Einlass (bzw. gegebenenfalls der Radkammer) nachfolgenden Turbinenstufe .
Die aus dem Stand der Technik bekannten Gestaltungen einer derartigen "Druckausgleichsstruktur" beruhen darauf, dass im Bereich der Druckausgleichsstruktur wenigstens eine schubfest mit dem Läufer verbundene Komponente vorgesehen ist, wobei diese Komponente (wenigstens) eine "Angriffsfläche" für den Druck des Arbeitsmediums bietet, und wobei diese Angriffsflä¬ che eine Radialerstreckung aufweist (z.B. in Radialrichtung verläuft) . Durch eine oder mehrere solcher Angriffsflächen wird ermöglicht, dass der auf die Angriffsfläche (n) ausgeübte Druck den gewünschten Axialschub am Läufer hervorruft.
Damit die Verwendung von Arbeitsmedium zur Erzeugung des entgegengesetzten Axialschubes nicht zu einem "Verlust" von Ar¬ beitsmedium führt, käme als eine Lösung in Betracht, die Druckausgleichsstruktur einerseits zum Läufer und andererseits zum Gehäuse der Turbine hin abgedichtet auszugestalten
Bei der gattungsgemäßen Turbine wird jedoch, in der Praxis zumeist einfacher, betriebsmäßig eine gewisse Leckage von Ar¬ beitsmedium durch die Druckausgleichsstruktur hindurch in Kauf genommen bzw. bewusst eingestellt. Dieser Teil des Ar¬ beitsmediums wird über eine von der Druckausgleichsstruktur wegführende und in den Strömungsbereich der Turbine einmündende Ausgleichsleitung geführt. Wenngleich je nach Gestaltung der Druckausgleichsstruktur bereits mehr oder weniger erheblich Energie des Arbeitsmediums beim Durchströmen der Druckausgleichsstruktur verloren geht (in der Regel hohe Druckabnahme und auch geringe Temperaturabnahme) , so kann zu¬ mindest der verbleibende Energierest des weggeführten
Arbeitsmediumanteils im Strömungsbereich noch Arbeit verrichten .
Im Stand der Technik muss bei der Auslegung einer gattungsgemäßen Turbine darauf geachtet werden, dass in allen Betriebs¬ fällen sichergestellt ist, dass über die Ausgleichslei- tung(en) keine "Rückströmung" von Arbeitsmedium, d.h. aus dem Strömungsbereich über die Ausgleichsleitung (en) zur Druckausgleichsstruktur, erfolgt. Bei einer üblicherweise mit axial aufeinanderfolgenden Ringspalten ausgebildeten Druckaus- gleichsstruktur (vgl. z. B. unten noch beschriebenes Ausführungsbeispiel) muss dementsprechend darauf geachtet werden, dass sich von Ringspalt zu Ringspalt ein immer geringer werdender Massenstrom einstellt. Der Ringspalt in Durchströ¬ mungsrichtung der Druckausgleichsstruktur betrachtet nach ei- ner Ausgleichsleitung sollte daher weniger Massenstrom anfordern als der Ringspalt davor. Der sich einstellende Druck ist bis auf geringe Reibungsverluste identisch mit dem Druck des über eine Ausgleichsleitung mit dem Ringraum verbundenen Fluids .
Dies bedeutet nachteiligerweise eine nicht unerhebliche Ein¬ schränkung der Freiheit bei der Auslegung der Turbine bzw. der damit betriebsmäßig abdeckbaren Lastfälle. Zu bedenken ist, dass eine etwaige Rückströmung, d. h. aus dem Strömungsbereich über die Ausgleichsleitung zur Druckausgleichsstruktur, in der Praxis zumeist zu einer äußerst kritischen Temperaturabsenkung im Bereich der Druckausgleichsstruktur führen würde, da das aus dem Strömungsbereich rück- geführte Arbeitsmedium, je nach konkreter Stelle im Verlauf der Arbeitsmedium-Entspannung, eine deutlich niedrigere Temperatur besitzt als das Arbeitsmedium im mit dem Strömungsbe¬ reich verbundenen Raum (Ringraum) der Druckausgleichsstruktur. Diese Temperaturabsenkung kann im Bereich der Druckaus- gleichsstruktur z. B. die Gefahr eines Anstreifens des Läu¬ fers bzw. einer am Läufer mitrotierenden Komponente an einer gehäuseseitigen Dichtschale hervorrufen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Turbine der gattungsgemäßen Art einen Weg aufzuzeigen, mit dem eine größere Freiheit bei der konstruktiven Auslegung der Turbine ermöglicht ist bzw. im Betrieb der Turbine ein größe¬ rer Bereich von Lastfällen abgedeckt werden kann, ohne dass es zu einer unerwünschten Rückströmung von Arbeitsmedium durch die Ausgleichsleitung kommt.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Ausgleichsleitung mit einer Ventileinrichtung ausgestattet ist, die eine Durchströmung der Ausgleichsleitung in Richtung vom Strömungsbereich zur Druckausgleichsstruktur verhindert . Die Ventileinrichtung kann in vielfältiger Weise realisiert sein, beispielsweise unter Verwendung eines aktiv auf Basis einer Detektion der Durchströmungsrichtung bzw. der maßgeblichen Druckverhältnisse mittels eines Aktors bedarfsweise be¬ tätigten Ventils.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Ventileinrichtung jedoch von einem eigenmediumbetätigten Ventil wie z. B. einem Rückschlagventil (z. B. Rückschlagklappe) gebildet. Mit einem derartigen Ventil wird in konstruktiv einfacher und zuverlässiger Weise die Rückströmung, d. h. eine
Durchströmung der Ausgleichsleitung in Richtung vom Strömungsbereich zur Druckausgleichstruktur, verhindert. Die Turbine kann somit vorteilhaft betriebsmäßig für Lastfäl¬ le genutzt werden, bei denen ohne die erfindungsgemäße Ma߬ nahme eine Rückströmung in der Ausgleichsleitung hervorgerufen würde . Für die Gestaltung der Druckausgleichsstruktur kann im Rahmen der Erfindung vorteilhaft auf sämtliche aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungen zurückgegriffen werden. Eine derartige bekannte Ausführung besteht z. B. darin, als Druck¬ ausgleichsstruktur eine weitere, ausgehend vom Turbinenein- lass in axial entgegengesetzter Richtung durchströmbare
Beschaufelung des Läufers vorzusehen. In diesem Fall wird das diese axialschubkompensierende Beschaufelung verlassende Ar¬ beitsmedium üblicherweise über einen Ringraum (radial zwi- sehen einem inneren Turbinengehäuse und einem äußeren Turbinengehäuse) zum eigentlichen Strömungsbereich der Turbine geführt und dort zur weiteren Entspannung eingeleitet. Wenngleich bei dieser Ausführung der Turbine bzw. der Druckaus- gleichsstruktur in der Regel aufgrund der relativ hoch ausgelegten Durchströmungsrate das der Erfindung zugrundeliegende Problem in der Regel nicht auftritt, so soll nicht ausge¬ schlossen sein, die erfindungsgemäße Maßnahme auch bei diesem Turbinentyp einzusetzen.
Für die Praxis besonders interessant ist jedoch eine Ausfüh¬ rung der Druckausgleichsstruktur dergestalt, dass diese (wenigstens) einen so genannten Ausgleichskolben umfasst, der von einem am Läufer radial abstehenden Vorsprung gebildet ist.
Ein derartiger Vorsprung kann z. B. einstückig mit dem Läufer ausgebildet sein, wobei ein am Außenumfang dieses Ausgleichs¬ kolbens bzw. Vorsprunges verbleibender Ringspalt nach radial außen hin durch den Innenumfang einer an dieser axialen Stelle gehäuseseitig vorgesehenen Dichtschale begrenzt werden kann. Der durch die Konstruktion auslegbare Ringspalt stellt dann einen in gewünschter Weise dimensionierbaren Pfad zur Durchströmung der Ausgleichseinrichtung dar.
Eine dem Ausgleichskolben zugeordnete Ausgleichsleitung kann auf der dem Strömungsbereich abgewandten axialen Seite des Ausgleichskolbens von der Druckausgleichstruktur wegführen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Ausgleichsleitung jedoch auch von der dem Strömungsbereich zugewandten axialen Seite des Ausgleichskolbens von der Druckausgleichsstruktur wegführen. Dies insbesondere dann, wenn ein axial noch näher zum Strömungsbereich hin angeordneter Abschnitt der Druckaus- gleichstruktur, z. B. ein strömungsbereichseitiges axiales Ende der Druckausgleichstruktur, einen druckreduzierenden Ringspalt aufweist, um nicht den ungeminderten Einlassdruck am Eingang einer solchen Ausgleichsleitung anliegen zu lassen .
Die Druckausgleichsstruktur kann auch mehrere axial voneinan- der beabstandende Ausgleichskolben umfassen, also z. B. zwei oder drei axial "hintereinander geschaltete" Ausgleichskol¬ ben, mit einer dementsprechend größeren Anzahl an Ausgleichs¬ leitungen, welche von verschiedenen axialen Stellen bzw.
"Druckräumen" zwischen Druckausgleichskolben der Druckaus- gleichsstruktur wegführen. Im Falle von mehreren solchen Ausgleichsleitungen münden diese bevorzugt an verschiedenen axialen Stellen des Strömungsbereiches ein. Da bei einer derar¬ tigen axialen Hintereinanderschaltung mehrerer Ausgleichskolben ausgehend von der Einströmungsseite der Druck des Ar- beitsmediums von Ausgleichskolben zu Ausgleichskolben immer weiter abfallen soll, müssen die jeweils zugeordneten Ausgleichsleitungen sukzessive in weiter stromabwärtigere Stel¬ len des Strömungsbereiches einmünden (zur Einstellung des ge¬ wünschten Druckniveaus) .
Falls mehrere axial hintereinander geschaltete Ausgleichskol¬ ben vorgesehen sind, so kann eine axial zwischen einander benachbarten Ausgleichskolben wegführende Ausgleichsleitung sowohl als eine auf der dem Strömungsbereich zugewandten axia- len Seite eines dieser beiden Ausgleichskolben wegführende Leitung betrachetet werden als auch als eine auf der dem Strömungsbereich abgewandten Seite des anderen Ausgleichskolbens wegführende Leitung betrachtet werden. Falls mehrere Ausgleichsleitungen vorgesehen sind, so ist erfindungsgemäß wenigstens eine dieser Ausgleichsleitungen mit einer Ventileinrichtung mit der genannten Wirkung (Sperrung für eine Rückströmung) ausgestattet. Es soll jedoch nicht ausgeschlossen sein, dass in diesem Fall wenigstens zwei die- ser Ausgleichsleitungen (bzw. sämtliche Ausgleichsleitungen) jeweils mit einer derartigen Ventileinrichtung ausgestattet sind . Eine bevorzugte Verwendung der Turbine ist der Einsatz als Dampfturbine, insbesondere Kondensationsdampfturbine in einer Dampfturbinenanlage mit Wasser-Wasserdampf-Kreislauf . Die betreffende Turbine kann im Strömungsbereich z. B. mehre¬ re axial aufeinanderfolgend angeordnete Turbinenstufen mit jeweiliger Beschaufelung aufweisen (z. B. aus baulich zusam- mengefassten Laufschaufeln und ggf. kämmend dazu angeordneten Leitschaufeln), z. B. eine Hochdruckstufe, ggf. eine oder mehrere Mitteldruckstufen, und eine Niederdruckstufe. In die¬ sem Fall kann die Ausgleichsleitung bzw. wenigstens eine von mehreren Ausgleichsleitungen z. B. an einer Stelle axial zwischen zwei einander benachbarten Turbinenstufen in den Strömungsbereich einmünden.
Die Ausgleichsleitung kann z. B. von der Druckausgleichsstruktur weg zunächst im Wesentlichen nach radial außen und aus einem den mit Arbeitsmedium durchströmten Turbinenbereich begrenzenden Gehäuseteil heraus verlaufen. Außerhalb dieses Gehäuseteils bzw. Gehäuses kann die Ausgleichsleitung dann in Axialrichtung verlaufen, um schließlich an der betreffenden Einmündungsstelle wieder in den dort befindlichen Gehäuseteil und somit den Strömungsbereich hinein zu verlaufen. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei¬ spielen mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung weiter be¬ schrieben. Es stellt schematisch dar:
Fig. 1 eine Dampfturbine gemäß eines Ausführungsbei- spiels der Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine Dampfturbine 10, umfassend ein Gehäuse 12 mit einem Einlass 14 für Frischdampf, einem Auslass 16 für Abdampf und einem axial dazwischen angeordneten Strömungsbe- reich 18 für das Arbeitsmedium, hier z. B. Wasserdampf.
Die Turbine 10 umfasst ferner einen in Axialrichtung orientierten, drehbar gelagerten Läufer 20 mit einer Beschaufelung im Strömungsbereich 18. Die Drehachse des Läufers 20, welche auch die Axialrichtung der Turbine 10 definiert, ist in Fig. 1 mit A bezeichnet. Im dargestellten Beispiel ist die Beschaufelung in Fig. 1 durch zwei in Axialrichtung A hintereinander geschaltete Turbinentrommeln 22-1 und 22-2 realisiert.
Die Beschaufelung des Läufers 20 im Bereich der Trommel 22-1 besteht aus radial abstehenden Laufschaufelkränzen, die in an sich bekannter Weise mit stationär an der Gehäuseinnenseite angeordneten Leitschaufelkränzen kämmen. In Fig. 1 ist ein hierzu vorgesehener Leitschaufelträger bei 24-1 symbolisiert. Die Beschaufelung im Bereich der zweiten, stromabwärtigeren
Trommel 22-2 ist in analoger Weise ausgeführt, also ebenfalls als mit dem Läufer 20 rotierenden Laufschaufeln, die mit an einem Leitschaufelträger 24-2 gehaltenen Leitschaufeln kämmen .
In Betrieb der Turbine 10 wird dem Einlass 14 in gesteuerter Weise Frischdampf z. B. mit einer Temperatur von typischerweise mehreren 100°C und einem Druck von typischerweise z. B. etwa 100 bis 250 bar zugeführt.
Ausgehend von diesem axialen Bereich der Turbine 10 (Einlass¬ bereich) durchströmt der größte Teil des Dampfes sodann den Strömungsbereich 18 (in Fig. 1 von links nach rechts, vgl. Strömungspfeil S) und verlässt die Turbine 10 als Abdampf über den Auslass 16.
Bei der Durchströmung des Strömungsbereiches 18 erfolgt eine temperatur- und druckreduzierende Entspannung des Dampfes. In der Strömungsrichtung S betrachtet ergibt sich ein stetiger Abfall des im Strömungsbereich 18 herrschenden Druckes. Im
Falle einer Ausführung als Kondensationsdampfturbine ist üb¬ licherweise eine Entspannung auf einen Druck von weniger als 1 bar, also Unterdruck vorgesehen. Auf der dem Strömungsbereich 18 abgewandten axialen Seite des Einlasses 14, also in Fig. 1 links von dem Einlass 14, ist eine Druckausgleichsstruktur 30 vorgesehen, die im darge- stellten Beispiel gebildet ist aus
- einer ersten Dichtschale 32 zur Ausbildung eines ersten Ringspalts 34 (zwischen dem Außenumfang des Läufers 20 und dem Innenumfang der Dichtschale 32),
- einem axial vor (in Fig. 1 weiter links) dem ersten Ringspalt 34 angeordneten Ausgleichskolben 36,
- einer zweiten Dichtschale 38 zur Ausbildung eines zweiten Ringspalts 40 (zwischen dem Außenumfang des Ausgleichskolben
36 und dem Innenumfang der Dichtschale 38), und
- einer axial vor (in Fig. 1 weiter links) dem zweiten Ringspalt 40 angeordneten dritten Dichtschale 42 zur Ausbildung eines dritten Ringspalts 44 (zwischen dem Außenumfang des
Läufers 20 und dem Innenumfang der dritten Dichtschale 42) .
An sämtlichen Ringspalten 34, 40 und 44 können z. B.
Labyrinthdichtungen vorgesehen sein, um die jeweiligen Durch- Strömungsraten vergleichsweise klein einzustellen (ohne hierzu besonders kleine Spaltmaße vorzusehen) .
Die dritte Dichtschale 42 mit dem davon ausgebildeten Ringspalt 44 kann im Prinzip auch als Teil einer ohnehin erfor- derlichen Abdichtung der Turbine 10 an einem axialen Ende des Turbinengehäuses (hier: Gehäuse 12) betrachtet werden. An al¬ len Ringspalten (Ringspalte 34, 40 und 44) ist eine möglichst gute Abdichtung anzustreben (da jeder Massenstrom über jeden Ringspalt einen Leckagestrom und somit Energieverlust bedeu- tet) .
In Fig. 1 ist ersichtlich, dass einerseits zwischen den Ringspalten 34 und 40 und andererseits zwischen den Ringspalten 40 und 44 jeweils ein "Ringraum" ausgebildet ist, und dass diese Ringräume jeweils in eine von zwei so genannten Aus¬ gleichsleitungen 50-1 und 50-2 einmünden. Die Ausgleichsleitungen 50-1, 50-2 führen jeweils von der Druckausgleichsstruktur 30 weg und münden an verschiedenen Stellen 52-1 bzw. 52-2 in den Strömungsbereich 18 ein.
Die erste Ausgleichsleitung 50-1 führt hierbei von dem
Ringraum zwischen dem ersten und zweiten Ringspalt 34 bzw. 40 weg, wohingegen die zweite Ausgleichsleitung 50-2 von dem Ringraum zwischen dem zweiten und dritten Ringspalt 40 bzw. 44 wegführt. Die Druckausgleichsstruktur 30 stellt ein Mittel dar, welches auf der dem Strömungsbereich 18 abgewandten axialen Seite des Einlasses 14 im Betrieb der Turbine 10 einen in Fig. 1 nach links gerichteten Axialschub auf den Läufer 20 ausübt, so dass der entgegengesetzte, in Strömungsrichtung S auf den Läufer 20 wirkende Axialschub (ganz oder teilweise) kompen¬ siert wird.
Im dargestellten Beispiel berechnet sich die kompensierende Axialschubkraft als die Differenz der beiderseits in Axial- richtung A auf den Ausgleichskolben 36 wirkenden Schubkräfte. Aufgrund des in Fig. 1 von rechts nach links betrachtet ste¬ tig abfallenden Druckes im Bereich der Druckausgleichsstruktur 30 ist der Druck hinter dem Ausgleichskolben 36 (in Fig. 1 rechts von diesem Kolben 36) größer als der Druck vor dem Ausgleichskolben 36 (in Fig. 1 links von diesem Kolben 36) .
Daher resultiert eine in Fig. 1 von rechts nach links auf den Ausgleichskolben 36 und somit auf den Läufer 20 wirkende Schubkraft . Maßgebliche Druckabfälle ergeben sich bei der dargestellten Konstruktion im Bereich der Ringspalte 34 und 36, wohingegen in den beiderseits dieser Ringspalte 34, 40 jeweils benach- harten Ringräumen (größeren Durchmessers) der Druck des Arbeitsmediums im wesentlichen konstant ist.
Ausgehend von dem Ringraum hinter dem ersten Ringspalt 34, im dargestellten Ausführungsbeispiel ist dies ein "Einlassbe¬ reich" der Turbine 10, strömt ein Teil des Arbeitsmediums (hier: Wasserdampf) durch den ersten Ringspalt 34 hindurch und gelangt somit in den Ringraum vor dem ersten Ringspalt 34. Von dort strömt wiederum ein Teil des Dampfes über die erste Ausgleichsleitung 50-1 an einer Stelle 52-1 in den
Strömungsbereich 18 hinein. Der Druck in der Einmündungssteile 52-1 ist so gewählt, dass er kleiner ist als nach dem Ringspalt 34 und größer als vor dem Ringspalt 40, und dass in "normalen" Betriebsfällen eine Durchströmung vom Ringraum vor dem Ringspalt 34 in die Ausgleichsleitung 52-1 stattfindet. Das heißt, der vom Ringspalt 40 geforderte Massenstrom ist kleiner als der vom Ringspalt 34 geforderte Massenstrom (Die Differenz dieser Massenströme zweigt in die Ausgleichsleitung 50-1 ab) .
Analoges gilt für die Durchströmung der zweiten Ausgleichs¬ leitung 50-2. Diese Durchströmung erfolgt lediglich auf einem etwas geringeren Druckniveau (aufgrund des Druckabfalls über den zweiten Ringspalt 40) . Dementsprechend mündet die zweite Ausgleichsleitung 50-2 an einer weiter hinten (in Fig. 1 weiter rechts) gelegenen Stelle 54-2 in den Strömungsbereich 18.
In bestimmten Betriebsfällen, die durch die Dampfparameter (Druck und Temperatur) am Einlass 14 und am Auslass 16, die Drehzahl des Turbinenläufers 20 und das vom Läufer 20 zu leistende Drehmoment definiert sind, kann es dazu kommen, dass der vom Ringspalt 40 geforderte Massenstrom größer ist als der vom Ringspalt 34 geforderte Massenstrom. Um einen in derartigen Betriebsfällen drohende Rückströmung von Dampf (aus dem Strömungsbereich 18 heraus und in die Ringräume der Druckausgleichstruktur 30 hinein) zu vermeiden, können eine oder beide der Ausgleichsleitungen 50-1, 50-2 mit einer dies verhindernden Ventileinrichtung ausgestattet werden .
Im dargestellten Beispiel ist z. B. die erste Ausgleichslei- tung 50-1 mit einem Rückschlagventil 54-1 ausgestattet, mit einer Orientierung, bei welcher eine Durchströmung der Ausgleichsleitung 50-1 von der Druckausgleichsstruktur 30 zum Strömungsbereich 18 ermöglicht ist, nicht jedoch in umgekehrter Richtung.
Diese Integration wenigstens eines geeigneten Ventils wie z. B. eines Rückschlagventils (z. B. in Form einer Rückschlag¬ klappe) ermöglicht bei der Turbine 10 somit vorteilhaft eine Vergrößerung der betriebsmäßig abdeckbaren Lastfälle.
Abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel könnte z. B. auch die zweite Ausgleichsleitung 50-2 mit einem geeigneten Ventil, insbesondere z. B. Rückschlagventil, ausgestattet werden .
Ferner könnte abweichend vom dargestellten Ausführungsbei¬ spiel anstatt nur eines Ausgleichkolbens 36 auch eine Mehr¬ zahl von z. B. zwei oder drei axial hintereinander angeordneten Ausgleichskolben (jeweils gegebenenfalls mit zugeordneter stationärer Dichtschale an gleicher axialer Stelle) vorgese¬ hen werden.
Außerdem wäre es prinzipiell denkbar, bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel auf die erste Dichtschale 32 und die ers- te Ausgleichsleitung 50-1 zu verzichten (und die zweite Aus¬ gleichsleitung 50-2 mit einem geeigneten Ventil auszustatten) . Diese Modifikation ist jedoch insofern nachteilig, als dann größere Anforderungen an die Dichtheit der restlichen Dichtungen (z. B. Labyrinthdichtungen) in den Ringspalten 36 und 44 gestellt würden. Daher ist es im Rahmen der Erfindung bevorzugt, dass ein strömungsbereichseitiges axiales Ende der Druckausgleichstruktur einen druckreduzierenden Ringspalt (hier: Ringspalt 34) aufweist. Dies ist realisierbar durch eine geeignete dimensionierte Anordnung einer Dichtschale (wie dargestellt) und/oder eines Ausgleichskolbens an dieser Stelle .

Claims

Patentansprüche
1. Turbine, insbesondere Dampfturbine, umfassend
- ein Gehäuse (12) mit einem Einlass (14) für ein Ar- beitsmedium, einem Auslass (16) für das Arbeitsmedium und einem axial dazwischen angeordneten Strömungsbereich (18), und
- einen in Axialrichtung (A) orientierten, drehbar gelagerten Läufer (20) mit einer Beschaufelung (22-1, 22-2) im Strömungsbereich (18),
wobei die Turbine (10) auf der dem Strömungsbereich (18) abgewandten axialen Seite des Einlasses (14) wenigstens eine von einem Teil des eingelassenen Arbeitsmediums durchströmbare Druckausgleichsstruktur (30) aufweist, von welcher aus wenigstens eine Ausgleichsleitung (50-1, 50-
2) wegführt und in den Strömungsbereich (18) einmündet (52-1, 52-2),
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Aus¬ gleichsleitung (50-1, 50-2) mit einer Ventileinrichtung (54-1) ausgestattet ist, die eine Durchströmung der Aus¬ gleichsleitung (50-1, 50-2) in Richtung vom Strömungsbereich (18) zur Druckausgleichstruktur (30) verhindert.
2. Turbine nach Anspruch 1, wobei die Druckausgleichsstruk- tur (30) einen Ausgleichskolben (36) umfasst, der von einem am Läufer (20) radial abstehenden Vorsprung gebildet ist .
3. Turbine nach Anspruch 2, wobei eine Ausgleichsleitung
(50-2) auf der dem Strömungsbereich (18) abgewandten axialen Seite des Ausgleichskolbens (36) von der Druckaus¬ gleichsstruktur (30) wegführt.
4. Turbine nach Anspruch 2 oder 3, wobei eine Ausgleichslei- tung (50-1) auf der dem Strömungsbereich (18) zugewandten axialen Seite des Ausgleichskolbens (36) von der Druck¬ ausgleichsstruktur (30) wegführt. Turbine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobe Ventileinrichtung (54-1) von einem Rückschlagventil bildet ist.
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