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Verfahren zum Beheizen von Dampf- oder Gasturbinen durch Einführung
eines erwärmten Wärmeträgers in das Turbineninnere Die Erfindung betrifft das Vorwärmen
und Heißhalten von Dampf- oder Gasturbinen, insbesondere von solchen, die rasch
in Betrieb gesetzt werden. Der Hauptzweck besteht darin, Mittel zu schaffen, um
derartige Maschinen unter Vermeidung unzulässiger Wärmespannungen unvermittelt aus
dem Zustand der Ruhe oder der langsamen Drehung rascher, als dies bisher angängig
war, in Betrieb zu setzen.
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Ein weiterer Zweck ist, solche Turbinen unter Aufwand einer besonders
kleinen Wärmemenge in betriebsheißem Zustande zu erhalten.
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Bekanntlich beträgt die Zeit, die erforderlich ist, um Dampfturbinen,
namentlich große eingeliäusige Einheiten, oder solche, die vermöge der Verwendung
hoher Drücke dicke Flanschen und Wandungen erhalten, aus dem kalten oder aus einem
teilweise abgekühlten Zustande in Betrieb zu nehmen und zu belasten, je nach ihrer
Größe 15 Minuten bis mehrere Stunden. Es können sich unvorhergesehene Umstände,
wie z. B. das Schadhaftwerden einer belasteten Einheit in einem Kraftwerk oder eine
überraschende Steigerung derGesamtbelastung, einstellen, durch die es notwendig
wird, eine abgestellte Turbine unvermittelt in Betrieb zu nehmen, um ohne Zeitverlust
die fehlende Leistung zu ersetzen. Diese Leistung ist, aber erst nach Ablauf obenerwähnter
Vorwärmezeiten erhältlich, soll die Turbine vor schädlichen Wärmespannungen und
Erzitterungen bewahrt bleiben.
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Dieser Zeitaufwand für die Leistungserzeugung kann durch das bekannte
Vorwärmen mittels durchströmenden Dampfes etwas gekürzt werden. Aber abgesehen von
der erheblichen Menge Dampf, die benötigt wird, werden je nach dem Druck des vorwärmenden
Dampfes im Turbineninnern nur Temperaturen von Zoo' C und darunter erreicht. Es
ist nicht möglich, mit solchen Mitteln die oben angegebenen Zeiten zu kürzen und
Dampfturbinen durch sofortiges Inbetriebsetzen und Belasten als Momentanreserven
zu gebrauchen.
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Bekanntlich sind bereits gewöhnliche Hochdruckdampfmäntel vorgeschlagen
worden, um diese Nachteile zu mildern. Sie haben aber keinen Eingang in die Praxis
gefunden; denn einerseits veranlassen sie durch die axial zunehmenden Temperaturunterschiede
zwischen ihrem Inhalt und dem der Temperatur nach gegen den Abdampfteil zu abnehmenden
Arbeitsdampf in ihren Doppelwänden Wärmespannungen, die sie gerade vermeiden sollen,
andererseits vermindern sie die Wirtschaftlichkeit durch ihr Gewicht und ihre Kostspieligkeit.
Auch durch solche Mittel läßt sich die Turbine als Momentanreserve nicht ausbilden.
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Ferner ist noch hervorzuheben, daß das Verfahren gemäß der Erfindung
nichts mit dem bekannten Verfahren zum Trocknen stillgesetzter Turbinen und ihrer
Kondensatoren durch die warme Abluft von elektrischen Stromerzeugern zu tun hat.
Ersteres bildet eine Vorbereitung für den Betrieb, letzteres dagegen eine Vorbereitung
für
den Ruhezustand. Dementsprechend bewegen sich auch die Verfahren in weit auseinanderliegenden
Temperaturbereichen.
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Das Verfahren zum Beheizen von Dampf-oder Gasturbinen durch Einführung
eines erwärmten Wärmeträgers in das Turbineninnere besteht darin, daß der Wärmeträger.
ein Gas oder Gasgemisch ist und die Turbine mindestens am Hochdruckende in einen
dem Wärmezustand der Turbine während des Betriebes gleichen oder nahezu gleichen
Wärmezustand versetzt und diesen Wärmezustand während der Betriebspausen aufrechterhält
zwecks Ermöglichung sofortigen Überganges der Turbine aus dem Zustande der Ruhe
oder der langsamen Drehung in den einer beliebigen Belastung bei Vermeidung unzulässiger
Wärmespannungen in ihrem Baustoff.
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An Hand der Abbildungen, die Anwendungen der Erfindung beispielsweise
veranschaulichen, sei letztere näher erläutert.
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Abb. i ist ein Schnitt durch einen Gehäuseflansch.
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Abb. 2 zeigt den Längsschnitt durch eine Turbine.
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Abb.3 zeigt eine Anlage mit einer mittels Kesselrauchgase geheizten
Turbine.
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Abb.4 zeigt eine mehrgehäusige Turbine, deren Abschnitte von dem Wärmeträger
nacheinander durchströmt werden.
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Abb. 5 zeigt eine mehrgehäusige Turbine mit zu den einzelnen Abschnitten
einstellbarer Wärmemengenzufuhr.
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Abb. 6 zeigt einen Längsschnitt durch eine Turbine, die von dem Wärmeträger
sowohl von innen wie von außen geheizt wird.
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In Abb. i ist i-2 der Wärmegradient,- der in einem Hochdruckzylinderflansch
bei zu rascher Wärmezufuhr entsteht. Seine Steilheit, welche entsprechend starke
Spannungen in dem Baustoff hervorruft, ist durch die hohe Wärmeübergangszabl verursacht,
die sich bei Kondensation des Dampfes an den Wandungen einstellt. Nach Erreichen
des Wärmebeharrungszustandes nimmt der Gradient i-2 einen Verlauf gemäß Linie 3-4.
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Hier setzt vorliegende, die Nachteile des steilen Temperaturabfalls
in den Wandungen beseitigende Erfindung ein, nach der die für das Vorwärmen und
Heißhalten der Turbine benötigte Wärme ganz oder teilweise mittels Beströmung demTurbineninnern
durch einen erwärmten, aus Gas oder Gasgemisch bestehenden Wärmeträger, vorzugsweise
Luft, zugeführt wird. Dieser ist jedoch so hocherhitzt, daß die Turbine in einen
Wärmezustand versetzt oder erhalten wird, der wenigstens am Zudampfende dem Wärmezustand
des Betriebes ganz oder annähernd gleichkommt. -Das neue Verfahren läßt sich so
ausbauen, daß die Turbine als Momentanreserve dienen kann, d. h. sie kann unverzüglich
angelassen und unter eine beliebige Belastung von Vollast abwärts genommen werden.
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Das Verfahren wird zweckmäßig so angewendet, daß die beim Heißhalten
dem Gehäuse zugeführte Wärme stets so groß bemessen ist, daß die Temperaturen der
vom Betriebsdampf erreichten oder bestrichenen Oberflächen stets höher, gleich oder
unwesentlich niedriger sind als die seinem Drucke entsprechende Sättigungstemperatur.
Es empfiehlt sich dabei, z. B. bei mehrgehäusigenTurbinen diezugeführteWärmemenge
so zu bemessen, daß der erzeugte Wärmezustand, mindestens des Hochdruckgehäuses,
dem Betriebswärmezustand des betreffenden Gehäuses, dem es bei der Betriebsübergabe
ausgesetzt wird, gleich- oder annähernd gleichkommt.
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In Abb. 2, die eine Anwendung des Verfahrens auf eine eingehäusige
Turbine darstellt, ist 5 das Gehäuse und 6 der Läufer. Das Gehäuse ist mit einem
Ringkanal ? versehen oder besitzt einen solchen bereits für Anzapfungen, aus dem
der Wärmeträger, vorzugsweise Luft, von einem Ventilator 8 durch die Saugleitung
9 abgesaugt wird, um über die Wärmequelle io und durch die Druckleitung ii der Vorkammer
12 der Turbine wieder zugeführt zu werden. Die Wärmequelle io kann ein mit Hochdruckdampf
betriebener Wärmeaustauscher sein mit Dampfanschlüssen 13 und 14. Als Wärmequellen
kommen ferner z. B. Olfeuerungen oder Kesselrauchgase in Betracht. Eine besonders
zweckmäßige Wärmequelle ist eine von elektrischen Heizwiderständen gebildete. Es
ist zu empfehlen, die Steuerung und Zudampfteile der Turbine, soweit sie nicht unter
Druck stehen, z. B. das Steuerventil 15, das während der Heizperiode offen zu halten
ist, mitzuheizen. Unmittelbar vor der Inbetriebsetzung der Turbine wird das Heizsystem
durch Schließen der Ventile 16, 17 abgeschaltet.
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Während des Vorwärmens oder des Heißhaltens der Turbine ist ihre Welle
langsam am zweckmäßigsten mittels einer Schaltvorrichtung zu drehen.
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Bei Verwendung von Rauchgasen der Kes3el= anlage 2o (Abb. 3) als Wärmequelle
kann, um die Strömung durch das Gehäuseinnere zu bewirken, an Stelle eines Lüfters
2i der Druckunterschied zwischen der Ranchgasentnahmestelle 22 und der Wiederzuführungsstelle
23 ausgenutzt werden.
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Abb. 4 veranschaulicht eine Anwendung des Verfahrens auf eine dreigehäusige
Turbine, deren Hochdruck- und Mitteldruckabschnitte 25, 26 nacheinander von dem
vom Lüfter 27 über die Heizquelle 28 in dauerndem Kreislauf gehaltenen Heizmittel
bestrichen werden ohne Einbeziehung des Niederdruckabschnittes 29. Letzterer kann
aber über die Zwischendampfleitung
3o in offener, stromloser Verbindung
mit dem 'Mitteldruckabschnitt bleiben oder mittels einer Abschließvorrichtung 31
abgetrennt werden. In letzterem Falle kann der Niederdruckabschnitt unter Vakuum
gehalten werden, wodurch die Betriebsbereitschaft erhöht wird. Unmittelbar vor Inbetriebsetzung
der Turbine oder vor Offnen des Zudampfschließorgans 32 ist durch Schließen der
Schieber 33, 34 das Heizsystem abzuschalten. Durch Regelung der Heizquelle 28, Einstellung
der Schieber 31, 33 sowie der Drehzahl des Lüfters 27 kann jede verlangte Heizwirkung
erreicht werden. Durch Parallel-oder Reihenschaltung sowie Zu- und Abschalten von
elektrischen Heizelementen 35, 36, 37 kann den großen Abweichungen zwischen dem
Wärmebedarf zum Vorwärmen und dem zum Heißhalten Rechnung getragen werden.
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Bei inehrgehäusigen Turbinen kann dem verschiedenen Wärmebedarf der
einzelnen Gehäuse dadurch gesondert entsprochen werden, daß der über die Wärmequelle
40 (Abb. 5) durch den Lüfter 41 im Kreislauf unterhaltene Wärmeträger zunächst den
Hochdruckabschnitt 42 durchströmt, um darauf durch Verzweigung der Rohrleitungen
43-.18 nebst Einstellung ihrer Drosselorgane 49, 50, 51 so geteilt zu werden; daß
die erforderliche Wärmeverteilung erreicht wird.
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Ein weiterer Ausbau des Verfahrens besteht darin, daß neben dem innern
Beheizen der Turbine dem Gehäuse nebst seinen Flanschen und Flanschenbolzen o. dgl.
Wärme von außen zugeführt wird.
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Diese Wärme kann von einer unabhängigen Quelle den äußeren Flächen
der Gehäusewandungen zugeführt werden oder, wie in Abb. 6 dargestellt, kann die
dem Turbinengehäuse 59 von außen zugeführte Wärme durch den das Turbineninnere 5z-52
heizenden Wärmeträger vermittelt werden. Zu diesem Zwecke bestreicht der durch den
Lüfter 53 über die Wärmequelle 54 im Kreislauf unterhaltene Wärmeträger zunächst
die Innenräume 52 der Turbine, um darauf, durch das Rohr 55 und ein Drosselorgan
oder eine Abschließvorrichtung56 zugeführt, den das Gehäuse umgebenden gut isolierten
Verschalungsraum 57 zu durchströmen oder umgekehrt. Durch Abschließorgane 56, 58
wird das Heizsystem vor Inbetriebsetzung der Turbine abgeschaltet. Ein beachtenswerter
Vorteil des Verfahrens, neben innerem Beheizen dem Gehäuse Wärme von außen zuzuführen,
besteht namentlich, wenn der Kreislauf des Wärmeträgers so geführt wird, daß er
nach Verlassen der Wärmequelle zuerst den Verschalungsraum 57 bestreicht, darin,
daß die radialen Laufspiele größer werden oder denen des Betriebsbeharrungszustandes
gleichbleiben.
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Die Menge der für das Vorwärmen oder Heißhalten benötigten Wärme kann
von Hand geregelt werden, wobei die verschiedenen Temperaturen von Thermometern
abgelesen werden können. Die Reglung kann aber auch z. B. unter Zuhilfenahme von
Thermostaten eine selbsttätige sein. Eine solche Regelung ist in Abb. 6 angegeben,
die Einrichtung besteht in einem in die Wandung des Turbinengehäuses 59 eingebauten
Thermostaten 6o, dessen Ausdehnungshub 6i über den Doppelhebe162 und das Relais
63 eines Regelungsorgans 64 die Wärmequelle 54 beherrscht.
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Im vorliegenden Falle besteht die Heizquelle 54 aus elektrischen Heizelementen,
die in bekannter Weise durch einen Kontroller 65 zu-, ab-, parallel- oder hintereinandergeschaltet
werden können. Werden Dampf- oder Rauchgase als Wärmequellen verwendet, so kann
die Regelung ebenso einfach durch geeignete, vom Relais beherrschte Kraftorgane
bewerkstelligt werden.
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Bei Läufern, die Hohlkörper bilden, empfiehlt es sich, dem Wärmeträger
durch zweckmäßige Verbindungen 66 mit dem Hohlraum 67 (Abb. 6) Zugang zu diesem
zu verschaffen.
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Es empfiehlt sich, das Verfahren unmittelbar nach dem Abstellen der
Turbine einzuleiten, damit sie unter Aufwand der geringsten Wärmemenge in den erfindungsgemäßen
Beharrungszustand der Ruhe übergeführt wird.