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Dokumentenidentifikation EP1780376 14.06.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001780376
Titel Dampfturbine
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Wieghardt, Kai Dr., 44869 Bochum, DE
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IS, IT, LI, LT, LU, LV, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR
Sprache des Dokument DE
EP-Anmeldetag 31.10.2005
EP-Aktenzeichen 050237601
EP-Offenlegungsdatum 02.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.06.2007
IPC-Hauptklasse F01D 3/04(2006.01)A, F, I, 20070403, B, H, EP

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Dampfturbine mit einem Gehäuse, wobei eine einen Schubausgleichskolben aufweisende Turbinenwelle drehgelagert innerhalb des Gehäuses angeordnet und entlang einer Rotationsachse gerichtet ist, wobei ein Strömungskanal zwischen dem Gehäuse und der Turbinenwelle ausgebildet ist, wobei die Turbinenwelle in ihrem Inneren eine Kühlleitung zur Führung von Kühldampf in Richtung der Rotationsachse aufweist und die Kühlleitung mit zumindest einer Zuströmleitung zur Zuströmung von Kühldampf aus dem Strömungskanal in die Kühlleitung verbunden ist.

Zur Steigerung des Wirkungsgrades einer Dampfturbine trägt die Verwendung von Dampf mit höheren Drücken und Temperaturen bei. Die Verwendung von Dampf mit einem solchen Dampfzustand stellt erhöhte Anforderungen an die entsprechende Dampfturbine.

Unter einer Dampfturbine im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird jede Turbine oder Teilturbine verstanden, die von einem Arbeitsmedium in Form von Dampf durchströmt wird. Im Unterschied dazu werden Gasturbinen mit Gas und/oder Luft als Arbeitsmedium durchströmt, das jedoch völlig anderen Temperatur- und Druckbedingungen unterliegt als der Dampf bei einer Dampfturbine. Im Gegensatz zu Gasturbinen weist bei Dampfturbinen z. B. das einer Teilturbine zuströmende Arbeitsmedium mit der höchsten Temperatur gleichzeitig den höchsten Druck auf. Ein offenes Kühlsystem, wie bei Gasturbinen, ist also nicht ohne externe Zuführung realisierbar.

Eine Dampfturbine umfasst üblicherweise einen mit Schaufeln besetzten drehbar gelagerten Rotor, der innerhalb eines Gehäusemantels angeordnet ist. Bei Durchströmung des vom Gehäusemantel gebildeten Strömungsraumes mit erhitztem und unter Druck stehendem Dampf wird der Rotor über die Schaufeln durch den Dampf in Rotation versetzt. Die am Rotor angebrachten Schaufeln werden auch als Laufschaufeln bezeichnet. Am Gehäusemantel sind darüber hinaus üblicherweise stationäre Leitschaufeln angebracht, welche in die Zwischenräume der Laufschaufeln greifen. Eine Leitschaufel ist üblicherweise an einer ersten Stelle entlang einer Innenseite des Dampfturbinengehäuses gehalten. Dabei ist sie üblicherweise Teil eines Leitschaufelkranzes, welcher eine Anzahl von Leitschaufeln umfasst, die entlang eines Innenumfangs an der Innenseite des Dampfturbinengehäuses angeordnet sind. Dabei weist jede Leitschaufel mit ihrem Schaufelblatt radial nach innen. Ein Leitschaufelkranz an einer Stelle entlang der axialen Ausdehnung wird auch als Leitschaufelreihe bezeichnet. Üblicherweise ist eine Anzahl von Leitschaufelreihen hintereinander angeordnet.

Eine wesentliche Rolle bei der Steigerung des Wirkungsgrades spielt die Kühlung. Bei den bisher bekannten Kühlmittelmethoden zur Kühlung eines Dampfturbinengehäuses, ist zwischen einer aktiven Kühlung und einer passiven Kühlung zu unterscheiden. Bei einer aktiven Kühlung wird eine Kühlung durch ein dem Dampfturbinengehäuse separat, d. h. zusätzlich zum Arbeitsmedium zugeführtes Kühlmedium bewirkt. Dagegen erfolgt eine passive Kühlung lediglich durch eine geeignete Führung oder Verwendung des Arbeitsmediums. Eine übliche Kühlung eines Dampfturbinengehäuses beschränkt sich auf eine passive Kühlung. So ist beispielsweise bekannt, ein Innengehäuse einer Dampfturbine mit kühlem, bereits expandiertem Dampf zu umströmen. Dies hat jedoch den Nachteil, dass eine Temperaturdifferenz über die Innengehäusewandung beschränkt bleiben muss, da sich sonst bei einer zu großen Temperaturdifferenz das Innengehäuse thermisch zu stark verformen würde. Bei einer Umströmung des Innengehäuses findet zwar eine Wärmeabfuhr statt, jedoch erfolgt die Wärmeabfuhr relativ weit entfernt von der Stelle der Wärmezufuhr. Eine Wärmeabfuhr in unmittelbarer Nähe der Wärmezufuhr ist bisher nicht in ausreichendem Maße verwirklicht worden. Eine weitere passive Kühlung kann mittels einer geeigneten Gestaltung der Expansion des Arbeitsmediums in einer so genannten Diagonalstufe erreicht werden. Hierüber lässt sich allerdings nur eine sehr begrenzte Kühlwirkung auf das Gehäuse erzielen.

Die in den Dampfturbinen drehbar gelagerten Dampfturbinenwellen werden im Betrieb thermisch sehr beansprucht. Die Entwicklung und Herstellung einer Dampfturbinenwelle ist zugleich teuer und zeitaufwändig. Die Dampfturbinenwellen gelten als die am höchsten beanspruchten und teuersten Komponenten einer Dampfturbine. Dies gilt zunehmend für hohe Dampftemperaturen.

Mitunter aufgrund der hohen Massen der Dampfturbinenwellen sind diese thermisch träge, was sich negativ bei einem thermischen Lastwechseln eines Turbosatzes auswirkt. Das bedeutet, dass die Reaktion der gesamten Dampfturbine auf einen Lastwechsel im starken Maße von der Schnelligkeit der Dampfturbinenwelle auf thermisch veränderte Bedingungen reagieren zu können, abhängt. Zur Überwachung der Dampfturbinenwelle wird standardmäßig die Temperatur überwacht, was aufwändig und kostspielig ist.

Eine Eigenschaft der Dampfturbinenwellen ist, dass diese über keine wesentliche Wärmesenke verfügen. Daher gestaltet sich die Kühlung der an der Dampfturbinenwelle angeordneten Laufschaufeln als schwierig.

Zur Verbesserung der Anpassung einer Dampfturbinenwelle auf eine thermische Beanspruchung ist es bekannt, diese im Einströmbereich auszuhöhlen oder als Hohlwelle auszubilden. Diese Hohlräume sind in der Regel abgeschlossen und mit Luft gefüllt.

Allerdings wirken sich die im Betrieb auftretenden hohen Spannungen, die zum großen Teil aus Tangentialspannungen aus der Fliehkraft bestehen, nachteilig auf die vorgenannten Dampfturbinen-Hohlwellen aus. Diese Spannungen sind in etwa doppelt so hoch wie die Spannungen, die bei entsprechenden Vollwellen auftreten würden. Dies hat einen starken Einfluss auf die Werkstoffauswahl der Hohlwellen, was dazu führen kann, dass die Hohlwellen für hohe Dampfzustände nicht geeignet bzw. nicht realisierbar sind.

Im Gasturbinenbau ist es bekannt, luftgekühlte Hohlwellen als dünnwandige Schweißkonstruktionen auszuführen. Es ist unter anderem bekannt, die Gasturbinenwellen über eine so genannte Hirth-Verzahnung mit Scheiben auszubilden. Diese Gasturbinenwellen weisen dafür einen zentralen Zuganker auf.

Allerdings ist eine direkte Übertragung der Kühlprinzipien bei Gasturbinen auf den Dampfturbinenbau in der Regel nicht möglich, da eine Dampfturbine im Gegensatz zur Gasturbine als geschlossenes System betrieben wird. Darunter ist zu verstehen, dass das Arbeitsmedium in einem Kreislauf sich befindet und nicht in die Umgebung abgeführt wird. Das bei einer Gasturbine eingesetzte Arbeitsmedium, das im Grunde genommen aus Luft und Abgas besteht, wird nach dem Durchtritt durch die Turbineneinheit der Gasturbine in die Umgebung abgegeben.

Dampfturbinen weisen darüber hinaus im Gegensatz zur Gasturbine keine Verdichtereinheit auf und des Weiteren sind die Wellen der Dampfturbine im Allgemeinen nur radial zugänglich.

Dampfturbinen mit einer Dampfeintrittstemperatur von ungefähr 600°C wurden in den 1950er Jahren entwickelt und gebaut. Diese Dampfturbinen wiesen eine radiale Beschaufelung auf. Der heutige Stand der Technik im Dampfturbinenbau umfasst Wellenkühlungen mit radialer Anordnung der ersten Leitschaufelreihe in Form von Diagonal- oder Regelstufen auf. Nachteilig bei dieser Ausführungsform ist jedoch die geringe Kühlwirkung dieser Diagonal- oder Regelstufen.

Besonders thermisch belastet werden bei den Dampfturbinenwellen die Kolben- und Einströmbereiche. Mit Kolbenbereich ist der Bereich eines Schubausgleichskolbens zu verstehen. Der Schubausgleichskolben wirkt in einer Dampfturbine derart, dass eine durch das Arbeitsmedium hervorgerufene Kraft auf die Welle in einer Richtung eine Gegenkraft in Gegenrichtung ausgebildet wird.

Eine Kühlung einer Dampfturbinenwelle ist unter anderem in der EP 0 991 850 B1 beschrieben. Dabei wird eine Kompakt- bzw. Hochdruck- und Mitteldruck-Teilturbine durch eine Verbindung in der Welle, durch die ein Kühlmedium strömen kann, ausgeführt. Als nachteilig wird hierbei empfunden, dass zwischen zwei verschiedenen Expansionsabschnitten kein regelbarer Bypass ausgebildet werden kann. Darüber hinaus sind Probleme im instationären Betrieb möglich.

Wünschenswert wäre es, eine Dampfturbine auszubilden, die für hohe Temperaturen geeignet ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Dampfturbine anzugeben, die bei hohen Dampftemperaturen betrieben werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Dampfturbine mit einem Gehäuse, wobei eine einen Schubausgleichskolben aufweisende Turbinenwelle drehgelagert innerhalb des Gehäuses angeordnet und entlang einer Rotationsachse gerichtet ist, wobei ein Strömungskanal zwischen dem Gehäuse und der Turbinenwelle ausgebildet ist, wobei die Turbinenwelle in ihrem Inneren eine Kühlleitung zur Führung von Kühldampf in Richtung der Rotationsachse aufweist und die Kühlleitung einerseits mit zumindest einer Zuströmleitung zur Zuströmung von Kühldampf aus dem Strömungskanal in die Kühlleitung verbunden ist, wobei die Kühlleitung andererseits mit zumindest einer Abströmleitung zur Führung von Kühldampf auf eine Schubausgleichskolbenmanteloberfläche verbunden ist.

Es wird somit eine Dampfturbine mit einer Dampfturbinenwelle vorgeschlagen, die in den während des Betriebes heißen Bereichen jeweils hohl ist und mit einer internen Kühlung versehen ist. Die Erfindung geht von dem Aspekt aus, dass während des Betriebes expandierter Dampf durch das Welleninnere zum Ausgleichskolben geführt wird und dort den thermisch sehr beanspruchten Ausgleichskolben kühlt. Mit der vorgeschlagenen Kühlmöglichkeit können vor allem diejenigen Dampfturbinenwellen gekühlt werden, die einen Ausgleichskolben aufweisen. Dies wären z. B. Hochdruck-, Mitteldruck- sowie K-Teilturbinen. Wobei unter einer K-Teilturbine eine Kompakt-Teilturbine zu verstehen ist, die einen auf einer Dampfturbinenwelle befindlichen Hochdruck- und Mitteldruckbereich aufweist. Der Vorteil der Erfindung ist unter anderem darin zu sehen, dass die Dampfturbinenwelle zum einen kriechstabil ausgebildet werden kann und zum anderen flexibel auf thermische Belastungen reagiert. Bei einem Lastwechsel beispielsweise, bei dem eine höhere thermische Belastung auftreten kann, führt die Kühlung dazu, dass die thermische Belastung der Welle schließlich abnimmt. Dies gilt insbesondere für die Bereiche, die besonders thermisch belastet sind, wie z. B. der Einströmbereich oder der Ausgleichskolben.

Dadurch ist ein schnelles Anfahren der Dampfturbine möglich, was für die heutige Zeit einen besonderen Aspekt darstellt, bei dem es darum geht, Energie schnell zur Verfügung zu stellen. Des Weiteren entsteht ein Vorteil durch die erfindungsgemäße Dampfturbine dadurch, dass die Kosten für eine Wellenüberwachung geringer ausfallen können. Eine hohle Dampfturbinenwelle weist eine geringere Masse gegenüber einer Vollwelle auf und dadurch auch eine geringere Wärmekapazität gegenüber einer Vollwelle sowie eine größere beströmte Oberfläche. Dadurch ist ein schnelles Aufwärmen der Dampfturbinenwelle möglich.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist, dass die Zeitstandsfestigkeit des für die Dampfturbinenwelle eingesetzten Materials durch die verbesserte Kühlung erhöht wird. Die Zeitstandsfestigkeit kann hierbei um einen Faktor größer als 2 gegenüber einer Vollwelle erhöht werden, sodass die oben beschriebene Spannungserhöhung überkompensiert wird. Dies führt zu einer Erweiterung des Einsatzbereiches der Dampfturbinenwelle.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist es, dass die Radialspiele verkleinert werden können, indem der Durchmesser der Hohlwelle durch radiale Fliehkräfte vergrößert wird. Die radiale Fliehkraft ist proportional zum Quadrat der Drehzahl. Eine Vergrößerung der Drehzahl bewirkt demnach eine Verkleinerung von Radialspielen, was zu einer Steigerung des Gesamtwirkungsgrades der Dampfturbine führt.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist es, dass Hohlwellen kostengünstig hergestellt werden können.

In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Gehäuse ein Innengehäuse und ein Außengehäuse. Hochdruck-Teilturbinen als auch Mitteldruck- und Kompakt-Teilturbinen gehören zu den am thermisch belastbarsten Dampfturbinen. In der Regel werden Hochdruck-, Mitteldruck- sowie Kompakt-Teilturbinen mit einem Innengehäuse, an dem Leitschaufeln angeordnet sind und einem um das Innengehäuse angeordneten Außengehäuse ausgebildet.

In einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Turbinenwelle in axialer Richtung zumindest zwei Bereiche aus verschiedenen Materialien auf.

Dadurch können Kosten eingespart werden. In den thermisch belasteten Bereichen wird in der Regel hochwertiges Material eingesetzt. Beispielsweise kann in den thermisch belasteten Bereichen 10%iger Chromstahl verwendet werden. Wohingegen in den Bereichen niedriger thermischer Belastung 1%iger Chromstahl verwendet werden kann.

Zweckdienlicherweise weist die Turbinenwelle in axialer Richtung drei Bereiche aus verschiedenen Materialien auf. Insbesondere bestehen die beiden äußeren Bereiche aus dem gleichen Material. Dadurch kann zielgerichtet geeignetes Material für den jeweiligen Bereich der Dampfturbinenwelle unterschiedlicher thermischer Belastung ausgewählt werden.

Vorteilhafterweise werden die aus verschiedenen Materialien umfassenden Bereiche miteinander verscheißt. Durch die Schweißung wird eine stabile Turbinenwelle ausgebildet.

In einer weiteren vorteilhaften alternativen Ausführungsform sind die aus verschiedenen Materialien bestehenden Bereiche mittels einer Hirth-Verzahnung miteinander verbunden. Der wesentliche Vorteil der Hirth-Verzahnung ist die besonders hohe thermische Flexibilität der Turbinenwelle. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass diese in der Regel dazu führt, dass die Turbinenwelle schnell gefertigt werden kann. Darüber hinaus kann die Turbinenwelle kostengünstig ausgebildet werden.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind die beiden äußeren Bereiche als Vollwelle und der dazwischen liegende mittlere Bereich als Hohlwelle ausgebildet. Ebenso vorteilhaft ist es, wenn die aus verschiedenen Materialien bestehenden Bereiche mittels einer Flanschverbindung miteinander verbunden sind. Dies kann bei Revisionsarbeiten hilfreich sein, da die verschiedenen Bereiche voneinander leicht getrennt werden können.

Ebenso ist es vorteilhaft, wenn die Zuströmleitung und die Abströmleitung in der Flanschverbindung integriert sind.

Zweckdienlicherweise werden die aus verschiedenen Materialien umfassenden Bereiche durch mindestens eine Schweißnaht miteinander verschweißt.

Sehr vorteilhaft ist es, wenn die Zuströmleitung und die Abströmleitung in der Hirth-Verzahnung integriert sind. Dabei kann die Hirth-Verzahnung, die eine Trapez-, rechteckige oder dreieckige Verzahnung aufweisen kann, mit einer als Zuström- und/oder Abströmleitung ausgebildeten Ausnehmung gefertigt sein. Dadurch hat man eine sehr einfache Möglichkeit, eine Zuström- und/oder Abströmleitung auszubilden. Beispielsweise kann die Ausnehmung in der Trapez-, rechteckigen oder dreieckigen Verzahnung je nach berechnetem Durchtrittsvolumen des Kühldampfes angepasst ausgebildet sein. Die Fertigung solcher Ausnehmungen auf einer Hirth-Verzahnung ist vergleichsweise einfach und kann darüber hinaus schnell durchgeführt werden. Dadurch entstehen Kostenvorteile.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Dampfturbine mit einer Rückführungsleitung zur Rückführung eines Mischdampfes, gebildet aus dem Kühldampf und einem Ausgleichskolbenleckdampf, ausgebildet, wobei die Rückführung in den Strömungskanal mündet.

Dabei geht die Erfindung von dem Aspekt aus, dass der Kühldampf mit einem Ausgleichskolbenleckdampf vermischt wird und dieser gebildete Mischdampf wieder dem Strömungskanal zugeführt wird um dort weiter Arbeit zu leisten. Der Wirkungsgrad der Dampfturbine erhöht sich dadurch.

Vorteilhafterweise wird die Rückführungsleitung innerhalb des Außengehäuses angeordnet. Die Rückführungsleitung kann auch als Bohrung im Innengehäuse ausgebildet sein.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei haben Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen die gleiche Funktionsweise.

Es zeigen

Figur 1
eine Querschnittsansicht einer Hochdruck-Teilturbine gemäß dem Stand der Technik,
Figur 2
einen Schnitt durch einen Teil einer Teilturbine,
Figur 3
einen Schnitt durch eine Turbinenwelle,
Figur 4
einen Schnitt durch eine Turbinenwelle in alternativer Ausführungsform,
Figur 5
einen Schnitt durch eine Turbinewelle in alternativer Ausführungsform,
Figur 6
einen Schnitt durch eine Turbinenwelle in alternativer Ausführungsform,
Figur 7
einen Schnitt durch eine Turbinenwelle in alternativer Ausführungsform,
Figur 8
eine vergrößerte Darstellung einer Flanschverbindung,
Figur 9
eine perspektivische Darstellung eines Teiles der Flanschverbindung,
Figur 10
eine perspektivische Darstellung des Prinzips einer Hirth-Verzahnung,
Figur 11
eine Schnittdarstellung einer Hirth-Verzahnung mit Durchlasskanälen in Dreieck-Form,
Figur 12
einen Schnitt durch eine Hirth-Verzahnung in Trapezform mit Durchgangsbohrungen,
Figur 13
Kurve mit Darstellung der relativen Zeitstandsfestigkeit in Abhängigkeit der Temperatur.

In der Figur 1 ist ein Schnitt durch eine Hochdruck-Teilturbine 1 gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Die Hochdruck-Teilturbine 1 als Ausführungsform einer Dampfturbine umfasst ein Außengehäuse 2 und ein darin angeordnetes Innengehäuse 3. Innerhalb des Innengehäuses 3 ist eine Turbinenwelle 5 um eine Rotationsachse 6 drehbar gelagert. Die Turbinenwelle 5 umfasst in Nuten auf einer Oberfläche der Turbinenwelle 5 angeordnete Laufschaufeln 7. Das Innengehäuse 3 weist an seiner Innenfläche in Nuten angeordnete Leitschaufeln 8 auf. Die Leit- 8 und Laufschaufeln 7 sind derart angeordnet, dass in einer Strömungsrichtung 13 ein Strömungskanal 9 ausgebildet ist. Die Hochdruck-Teilturbine 1 weist einen Einströmbereich 10 auf, durch den im Betrieb Frischdampf in die Hochdruck-Teilturbine 1 einströmt. Der Frischdampf kann Dampfparameter von über 300 bar und über 620°C aufweisen. Der in die Strömungsrichtung 13 sich entspannende Frischdampf strömt abwechselnd an den Leit- 8 und Laufschaufeln 7 vorbei, entspannt sich und kühlt sich ab. Der Dampf verliert hierbei an innerer Energie, der in Rotationsenergie der Turbinenwelle 5 umgewandelt wird. Die Rotation der Turbinenwelle 5 treibt schließlich einen nicht dargestellten Generator zur Energieversorgung an. Die Hochdruck-Teilturbine 1 kann selbstverständlich andere Anlagenkomponenten außer einem Generator antreiben, beispielsweise einen Verdichter, eine Schiffsschraube oder ähnliches. Der Dampf durchströmt den Strömungskanal 9 und strömt aus der Hochdruck-Teilturbine 1 aus dem Auslass 33 aus. Der Dampf übt hierbei eine Aktionskraft 11 in Strömungsrichtung 13 aus. Die Folge ist, dass die Turbinenwelle 4 eine Bewegung in Strömungsrichtung 13 vollziehen würde. Eine tatsächliche Bewegung der Turbinenwelle 5 wird durch die Ausbildung eines Ausgleichskolbens 4 verhindert. Dies geschieht, indem in einem Ausgleichskolbenvorraum 12 Dampf mit entsprechendem Druck eingeströmt wird, der dazu führt, dass infolge des sich aufbauenden Druckes im Ausgleichskolbenvorraum 12 eine Kraft entgegen der Strömungsrichtung 13 entsteht, die idealerweise genauso groß sein sollte wie die Aktionskraft 11. Der in dem Ausgleichskolbenvorraum 12 eingeströmte Dampf ist in der Regel abgezweigter Frischdampf, der sehr hohe Temperaturparameter aufweist. Demzufolge werden der Einströmbereich 10 und der Ausgleichskolben 4 der Turbinenwelle thermisch stark beansprucht.

In der Figur 2 ist ein Ausschnitt einer Dampfturbine 1 dargestellt. Die Dampfturbine weist ein Außengehäuse 2, ein Innengehäuse 3 und eine Turbinenwelle 5 auf. Die Dampfturbine 1 weist Laufschaufeln 7 und Leitschaufeln 8 auf. Frischdampf gelangt über den Einströmbereich 10 über eine Diagonalstufe 15 in den Strömungskanal 9. Der Dampf entspannt und kühlt sich dabei ab. Die innere Energie des Dampfes wird in Rotationsenergie der Turbinenwelle 5 umgewandelt.

Der Dampf wird nach einer bestimmten Anzahl von Turbinenstufen, die aus Leit- 8 und Laufschaufeln 7 gebildet werden, über eine Zuströmleitung 16 mit einer Kühlleitung 17 strömungstechnisch verbunden. Die Kühlleitung 17 ist hierbei als Hohlraum innerhalb der Turbinenwelle 5 ausgebildet. Andere Ausführungsformen sind denkbar. So ist z. B. möglich, statt eines Hohlraums 17 eine nicht dargestellte Leitung innerhalb der Turbinenwelle 5 auszubilden.

Die Turbinenwelle 5 ist drehgelagert innerhalb des Gehäuses 2, 3 angeordnet und entlang einer Rotationsachse 6 gerichtet. Zwischen dem Gehäuse 2, 3 und der Turbinenwelle 5 wird ein Strömungskanal 9 ausgebildet. Die Kühlleitung 17 ist hierbei zur Führung von Kühldampf in Richtung der Rotationsachse 6 ausgebildet. Die Kühlleitung 17 ist einerseits mit zumindest einer Zuströmungsleitung 16 strömungstechnisch verbunden. Die Zuströmleitung 16 ist zur Zuströmung von Kühldampf aus dem Strömungskanal 9 in die Kühlleitung 17 ausgebildet.

Die Zuströmleitung 16 kann hierbei radial zur Rotationsachse 6 ausgerichtet sein. Andere Ausführungsformen der Zuströmleitung 16 sind denkbar. So kann beispielsweise die Zuströmleitung 16 senkrecht zur Rotationsachse 6 geneigt ausgebildet sein. Die Kühlleitung 16 könnte spiralförmig von dem Strömungskanal 9 zur Kühlleitung 17 verlaufen. Der Querschnitt der Kühlleitung 16 kann von dem Strömungskanal 9 zur Kühlleitung 17 variieren.

Die Kühlleitung 17 ist andererseits mit zumindest einer Abströmleitung 18 zur Führung des Kühldampfes auf eine Schubausgleichskolbenmanteloberfläche 19 verbunden.

Der aus der Abströmleitung 18 ausströmende Kühldampf verteilt sich auf der Schubausgleichskolbenmanteloberfläche 19 und kühlt hierbei diese ab.

Das Gehäuse 2, 3 umfasst ein Innengehäuse 3 und ein Außengehäuse 2. Der aus der Abströmleitung 18 ausströmende Kühldampf strömt in zwei Richtungen. Zum einen in Richtung der Hauptströmungsrichtung 13 und zum anderen in einer der Hauptströmung 13 entgegen gesetzten Richtung. Über den Einströmbereich 10 strömt ein Teil des Frischdampfes zwischen dem Innengehäuse 3 und der Turbinenwelle 5 in Richtung des Schubausgleichskolbens 4. Dieser so genannte Kolbenleckdampf 20 vermischt sich mit dem aus der Abströmleitung ausströmenden Kühldampf und wird mittels einer Rückführungsleitung 21 in den Strömungskanal 9 zurückgeführt. Sinnvollerweise beginnt diese Rückführungsleitung 21 zwischen Einströmung 10 und dem Austritt der Abströmleitung 18. Somit kann ein Teilstrom des Kühldampfes in Richtung der Hauptströmung 13 geleitet werden und den Kolbenleckdampf 20 sperren. Auf diese Weise wird die oben beschriebene Kühlung der Kolbenoberfläche 18 sichergestellt. Dieser aus dem Kühldampf und einem Ausgleichskolbenleckdampf gebildete Mischdampf wird an geeigneter Stelle im Strömungskanal 9 eingeströmt um dort Arbeit zu leisten.

Die Rückführungsleitung 21 kann als externe Leitung innerhalb des Außengehäuses 2 ausgebildet sein. Die Rückführungsleitung 21 kann auch als Bohrung innerhalb des Innengehäuses 3 ausgebildet sein.

In der Figur 3 ist eine Turbinenwelle 5 dargestellt. Die Turbinenwelle 5 ist aus einem Material gefertigt, das den thermischen Beanspruchungen Rechnung trägt. Nachteilig ist hierbei allerdings, dass die thermische Beanspruchung nicht gleichmäßig auf der Turbinenwelle 5 verteilt ist, sondern wie weiter vorne dargestellt, im Bereich der Einströmung 10 und des Ausgleichskolbens 4 besonders stark ist. Der Übersichtlichkeit wegen sind die Laufschaufeln 7 nicht dargestellt.

Durch die Schraffur in der Figur 3 ist deutlich gemacht, dass die Turbinenwelle 5 aus einem Material ausgebildet ist.

In der Figur 4 ist eine weitere Turbinenwelle 5 dargestellt, wobei diese Turbinenwelle 5 in Strömungsrichtung 13 zumindest zwei Bereiche aus verschiedenen Materialien aufweist. In alternativen Ausführungsformen kann die Turbinenwelle 5 in axialer Strömungsrichtung 13 drei Bereiche 24, 23, 22 aus verschiedenen Materialien aufweisen. Der mittlere Bereich 22 kann beispielsweise aus einem temperaturfesten 10%igen Chromstahl sein und die beiden äußeren Bereiche 23 und 24 aus dem gleichen Material wie z. B. 1%igem Chromstahl bestehen. In der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform wird die Turbinenwelle 5 mittels Schweißverbindungen 25 und 26 miteinander verbunden.

Die Turbinenwelle 5 kann in ihrem mittleren Bereich 22 als Hohlwelle und in ihren äußeren Bereichen 23, 24 als Vollwelle ausgeführt werden.

Sofern die Bereiche 22, 23, 24 miteinander verschweißt werden, wird mindestens eine Schweißnaht verwendet.

Die Turbinenwelle 5 kann aus verschiedenen Materialien bestehenden Bereiche 22, 23, 24 mittels einer Flanschverbindung 40 miteinander verbunden werden, wobei die Zuströmleitung 16 und die Abströmleitung 18 in der Flanschverbindung integriert ist.

In der Figur 5 ist eine alternative Ausführungsform der Turbinenwelle 5 dargestellt. Der Unterschied zu der in Figur 4 dargestellten Turbinenwelle ist der, dass die in Figur 5 dargestellte Turbinenwelle 5 mittels einer Hirth-Verzahnung 27, 28 zusammengesetzt ist. Dabei muss ein Zuganker 29 ausgebildet werden, der derart angeordnet wird, dass die beiden äußeren Bereiche 23 und 24 gegen den mittleren Bereich 22 gedrückt werden. Der mittlere Bereich 22 einen oder mehrere Abschnitte umfassen, die rohr- oder scheibenförmig ausgebildet sind und jeweils eine oder mehrere Laufschaufelstufen enthalten können.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform wird, wie in Figur 6 dargestellt, die Turbinenwelle 5 mittels einer Hirth-Verzahnung 30, 31 miteinander verbunden, wobei die Zuströmleitung 16 und die Abströmleitung 18 in der Hirth-Verzahnung 30, 31 integriert ist.

In der Figur 7 ist eine weitere alternative Ausführungsform der Turbinenwelle 5 dargestellt. Die Turbinenwelle 5 umfasst zumindest zwei aus unterschiedlichen Materialien ausgebildete Bereiche 22' und 23'. Der Bereich 23' wird an den Bereich 22' angeflanscht. Die Verschraubung erfolgt durch geeignete Dehnschaft-Schrauben 39. Die Flanschverbindung 40 ist dem Stand der Technik gemäß zentriert. Zweckdienlicherweise ist im Bereich 22' ein Gewinde 41 zum Fassen der Schraube 39 ausgebildet. Des Weiteren erfolgt die Verschraubung des Bereichs 23' mit dem Bereich 22' bevorzugt von der kühleren Seite.

In der Figur 8 ist eine Schnittdarstellung der angeschraubten Verbindung aus der Figur 7 zu sehen. Auch in dieser Darstellung ist zu sehen, dass sich die Abströmleitung 18 durch Ausnehmungen in die Verbindung integrieren. Dies ist in einer perspektivischen Darstellung eines Teils der Turbinenwelle 5 in der Figur 5 dargestellt. Durch eine Verbindung der Abströmleitung 18 mit der Schraubenbohrung 43 mittels eines Ringraumes 42 lässt sich die Kühlung der Schrauben realisieren sowie eine Angleichung der Temperaturen des Flansches (Ausgleichskolben) mit den Schrauben.

In der Figur 10 ist eine perspektivische Darstellung einer Hirth-Verzahnung 30, 31 zu sehen. Der mittlere Bereich 2 weist hierbei eine gemäß Figur 10 dargestellte Hirth-Verzahnung 30, 31 auf. Genauso weisen die beiden äußeren aus verschiedenen Materialien bestehenden Bereiche 24 und 23 genauso eine Hirth-Verzahnung 30, 31 auf.

In der Figur 11 ist eine Querschnittsansicht der Hirth-Verzahnung 30, 31 zu sehen. Der linke Teil ist beispielsweise der linke Bereich 24 und der rechte Teil der mittlere Bereich 22 der über die Hirth-Verzahnung 30 miteinander verbunden ist. Die Zuströmleitung 16 ist in der Hirth-Verzahnung integriert. Die in Figur 11 dargestellte Querschnittsabbildung kann ebenso die Abströmleitung 18 darstellen. In diesem Fall wäre der linke Bereich der mittlere Bereich 22 und der rechte über die Hirth-Verzahnung 31 verbundene Bereich 23. Die Abströmleitung 18 ist in der Hirth-Verzahnung 30, 31 integriert. Die in Figur 11 dargestellte Ausführungsform weist eine dreieckige Verzahnung auf.

Die Zuströmleitung 16 bzw. die Abströmleitung 18 ist über Ausnehmungen 32 der Hirth-Verzahnung 30, 31 ausgebildet.

In der Figur 12 dargestellten Ausführungsform der Hirth-Verzahnung 30, 31 weist diese eine trapezförmige Verzahnung auf. Mögliche Ausführungsformen der Hirth-Verzahnung sind eine Trapez-, rechteckige oder dreieckige Verzahnung. Andere Ausführungsformen sind möglich.

In der Figur 13 sind die relevanten Festigkeitswerte für 1%igen und 10%ige Chromstähle für Dampfturbinenwellen gezeigt.

Auf der x-Achse 35 ist die Temperatur in einer linearen Skala von 400 bis 600°C aufgetragen. Auf der y-Achse 36 ist die Zeitstandsfestigkeit Rm,200000h in einer linearen Skala von 30 bis 530 N mm 2 aufgetragen. Die obere Kurve 37 zeigt das Temperaturverhalten für den Werkstoff 30 CrMoNiV5-11 und die untere Kurve 38 zeigt das Temperaturverhalten für den Werkstoff X12CrMoWVNbN10-1-1.

Es hat sich gezeigt, dass zusätzlich zur erfindungsgemäßen Führung des Kühldampfes eine Auftragung einer Wärmedämmschicht auf die Oberflächen der thermisch beanspruchten Bauteile den Effekt der wirksamen Kühlung erhöht.

Durch den Einsatz des Zugankers 29 wird ein Teil der Axialkräfte übernommen. Dadurch kann die Turbinenwelle 5 dünnwandiger ausgebildet werden, was sich auf die thermische Flexibilität und die Ausbildung der Radialspiele positiv auswirkt.

Die Erfindung ist nicht auf die Ausbildung einer Hochdruck-Teilturbine als Ausführungsform einer Dampfturbine 1 einzuschränken, die erfindungsgemäße Turbinenwelle 5 kann auch in einer Mitteldruck- oder einer Kompakt-Teilturbine (Hochdruck- und Mitteldruck innerhalb eines Gehäuses) eingesetzt werden. Ebenso kann die Turbinenwelle 5 in anderen Dampfturbinentypen eingesetzt werden.


Anspruch[de]
Dampfturbine (1) mit einem Gehäuse (2, 3),

wobei eine einen Schubausgleichskolben (4) aufweisende Turbinenwelle (5) drehgelagert innerhalb des Gehäuses (2, 3) angeordnet und entlang einer Rotationsachse (6) gerichtet ist,

wobei ein Strömungskanal (9) zwischen dem Gehäuse (2, 3) und der Turbinenwelle (5) ausgebildet ist,

wobei die Turbinenwelle (5) in ihrem Inneren eine Kühlleitung (17) zur Führung von Kühldampf in Richtung der Rotationsachse (6) aufweist und die Kühlleitung (17) einerseits mit zumindest einer Zuströmleitung (16) zur Zuströmung von Kühldampf aus dem Strömungskanal (9) in die Kühlleitung (17) verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Kühlleitung (17) andererseits mit zumindest einer Abströmleitung (18) zur Führung von Kühldampf auf eine Schubausgleichskolbenmanteloberfläche (19) verbunden ist.
Dampfturbine (1) nach Anspruch 1,

wobei das Gehäuse (2, 3) ein Innengehäuse (3) und ein Außengehäuse (2) umfasst.
Dampfturbine (1) nach Anspruch 1 oder 2,

wobei die Turbinenwelle (5) in axialer Richtung (34) zumindest zwei Bereiche aus verschiedenen Materialien aufweist.
Dampfturbine (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3,

wobei die Turbinenwelle (5) in axialer Richtung (34) drei Bereiche (22, 23, 24) aus verschiedenen Materialien aufweist.
Dampfturbine (1) nach Anspruch 4

wobei die beiden äußeren Bereiche (23, 24) aus dem gleichen Material bestehen.
Dampfturbine (1) nach Anspruch 3, 4 oder 5,

wobei die aus verschiedenen Materialien (22, 23, 24) umfassenden Bereiche miteinander verschweißt sind.
Dampfturbine (1) nach Anspruch 3, 4, 5 oder 6,

wobei die Bereiche (23, 24) als Vollwelle und der Bereich (22) als Hohlwelle ausgebildet sind.
Dampfturbine (1) nach Anspruch 3, 4, 5 oder 7,

wobei die aus verschiedenen Materialien (22, 23, 24) bestehenden Bereiche mittels einer Hirth-Verzahnung (30, 31) miteinander verbunden sind.
Dampfturbine (1) nach Anspruch 3, 4, 5 oder 7,

wobei die aus verschiedenen Materialien (22, 23, 24) bestehenden Bereiche mittels einer Flanschverbindung (40) miteinander verbunden sind.
Dampfturbine (1) nach Anspruch 8,

wobei die Zuströmleitung (16) und die Abströmleitung (18) in der Hirth-Verzahnung (30, 31) integriert ist.
Dampfturbine nach Anspruch 9,

wobei die Zuströmleitung (16) und die Abströmleitung (18) in der Flanschverbindung (40) integriert sind.
Dampfturbine (1) nach Anspruch 8,

wobei die Hirth-Verzahnung (30, 31) eine Trapez-, rechteckige oder dreieckige Verzahnung mit einer als Zuström-(16) und /oder Abströmleitung (18) ausgebildeten Ausnehmung (32) aufweist.
Dampfturbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

mit einer Rückführungsleitung (21) zur Rückführung eines Mischdampfes, gebildet aus dem Kühldampf und einem Ausgleichskolbenleckdampf, wobei die Rückführungsleitung (21) in den Strömungskanal (9) mündet.
Dampfturbine (1) nach Anspruch 13,

wobei die Rückführungsleitung (21) innerhalb des Außengehäuses (2) angeordnet ist.
Dampfturbine (1) nach Anspruch 13,

wobei die Rückführungsleitung (21) als Bohrung im Innengehäuse (2) ausgebildet ist.






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