DE69635324T2 - Gasturbinensystem und Herstellungsverfahren - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft für den Betrieb in Anwendungen für unterschiedliche Frequenzen vorgesehene Gasturbinen, die einen hohen Grad an Hardwareübereinstimmung aufweisen, und betrifft insbesondere aus übereinstimmenden modularen Komponenten bestehende Gasturbinen für den landbasierten Betrieb in Stromversorgungsnetzen mit einer Frequenz von 50 Hz oder 60 Hz.
  • Zur landbasierten Stromerzeugung eingesetzte Gasturbinen werden je nach Frequenz des Stromversorgungsnetzes üblicherweise sowohl für 50 Hz als auch für 60 Hz-Anwendungen benötigt. Die mit der Entwicklung und Herstellung von Maschinen für beide Frequenzen verbundenen Kosten sind recht hoch. Beispielsweise sind die Komponenten einer für eine bestimmte Frequenzanwendung konstruierten Turbine in der Regel spezifisch für diese Turbine. Hieraus resultieren höhere Investitionskosten für die Werkzeugausstattung und praktisch keine Hardwareübereinstimmung zwischen den zwei Turbinen, was sich sonst vorteilhaft auf die Turbinenkosten auswirken würde.
  • Ein häufig umgesetztes Konzept für die Entwicklung von Gasturbinen für 50 Hz- und 60 Hz-Anwendungen besteht darin, eine Konstruktion durch einfaches geometrisches Skalieren an eine zweite Frequenz anzupassen. Das Skalieren basiert auf dem Prinzip, dass man die physische Größe einer Maschine reduzieren oder erhöhen und gleichzeitig die Drehzahl erhöhen oder verringern kann, um aerodynamisch und mechanisch gleichartige Verdichter und Turbinen für die verschiedenen Frequenzanwendungen herzustellen. Die Anwendung von Skalierungstechniken hat die Entwicklung von Turbinen für beide Fre quenzanwendungen ermöglicht, woraus jedoch trotz der Senkung der Entwicklungskosten immer noch Turbinenkomponenten resultieren, die für eine Turbine spezifisch sind, die für eine bestimmte Frequenzanwendung vorgesehen ist. Beispielsweise werden die Komponenten einer für eine 50 Hz-Anwendung konstruierten Turbine um das Frequenzverhältnis 50/60 = 0,833 geometrisch skaliert, damit bei einer Frequenz von 60 Hz eine gleichartige Turbinenleistung erbracht wird. Angesichts dieser festgelegten Skalierung entspricht die Ausgangsleistung dem inversen Quadrat der Frequenz, d.h. (50/60)2 = 0,694. Eine Turbine, die zum Erzielen einer Ausgangsleistung von 100 Megawatt für eine Frequenz von 50 Hz ausgelegt ist, würde bei einer geometrischen Skalierung mit dem Faktor 0,833 demnach eine Ausgangsleistung von 69,4 Megawatt bei einer Frequenz von 60 Hz erzielen. Im Allgemeinen besteht beim geometrischen Skalieren von Turbinenkonstruktionen eine feste Beziehung oder ein festes Verhältnis zwischen der Ausgangsleistung bei einer Drehzahl und der Ausgangsleistung bei einer anderen Drehzahl. Der Vorteil dieses Skalierungskonzepts ist, dass die für eine Frequenz dimensionierten Komponenten mühelos für die skalierte Frequenz umkonstruiert werden können. Die Leistung der Turbine wird jedoch vom Skalierungsfaktor festgelegt, so dass die eine oder die andere Turbine für eine bestimmte Anwendung eventuell nicht optimal geeignet ist. Dies bedeutet, dass auf dem Markt eine Nachfrage nach Turbinen für den Betrieb bei unterschiedlichen Frequenzen bestehen kann und dass die Ausgangsleistung der einen Turbine bei der einen Frequenz nicht zu der gewünschten Leistung der anderen Turbine bei der anderen Frequenz führt, wenn die erste Turbine zur Realisierung der zweiten Turbine geometrisch skaliert wird. Gleichermaßen von Bedeutung ist, dass die Komponenten (Hardware) einer Basisturbine für die eine Frequenzanwendung prak tisch keine Übereinstimmung mit den Komponenten (Hardware) der skalierten Turbine für die andere Frequenzanwendung aufweisen, wodurch höhere Kosten für die Werkzeugausstattung und Komponententeile sowie andere Nachteile entstehen.
  • Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung können Gasturbinen bereitgestellt werden, die für 50 Hz- bzw. 60 Hz-Anwendungen eingesetzt werden können und die bei minimalen oder vernachlässigbaren Verlusten bei der Turbinenleistung pro Anwendung im Wesentlichen bedeutende Übereinstimmungen bezüglich der Hardware aufweisen, wobei durch Übereinstimmungen bei Konstruktion, Hardware und Werkzeugausstattung deutliche Kostensenkungen erzielt werden können. Zusätzliche ökonomische Vorteile lassen sich durch die Verkürzung von Konstruktionszyklen und die Verringerung der Ressourcen realisieren, die für die Konstruktion und Fertigung von Turbinen zur Verwendung bei unterschiedlichen Ausgangsleistungen und Frequenzen erforderlich sind. Darüber hinaus löst die vorliegende Erfindung die Beziehung zwischen der geometrischen Skalierung und der Ausgangsleistung auf, wodurch die Ausgangsleistung der 50 Hz- und 60 Hz-Maschinen unabhängig von der Turbine durch das Festlegen des Verdichtermassenstroms und der entsprechenden Anpassung der Turbine definiert werden kann. Kurzum ist die Konstruktion von Turbinen mit unterschiedlichen Ausgangsleistungen bei unterschiedlichen Frequenzen gemäß dieser Erfindung nicht länger durch den Faktor der geometrischen Skalierung eingeschränkt.
  • Zur Konstruktion der einen oder der anderen der zwei Turbinen für unterschiedliche Frequenzanwendungen, z.B. 50 Hz oder 60 Hz, und angesichts der Tatsache, dass eine möglichst identische Heißgasströmungsstrecke bei den zwei Turbinen wün schenswert ist, wird zunächst eine Austrittsmachzahl so festgelegt, dass der Druckverlust im stromabwärts angeordneten Diffusor der Turbine und deren mechanische Leistung akzeptabel sind. Bei einer bestimmten Brenntemperatur bestimmen das Turbinendruckverhältnis und die Kühlluftmenge, die den Turbinenschaufelblättern und Zubehörteilen, wie z.B. Deckbändern, sowie der Gasströmungsstrecke zugeführt wird, welche Metalltemperatur die Turbinenschaufel letzten Stufe aufweist. Durch die Auswahl einer geeigneten Legierung für die Turbinenschaufel der letzten Stufe lässt sich beispielsweise die maximal zulässige Fliehkraftbeanspruchung für die 60 Hz-Maschine bestimmen. Diese Fliehkraftbeanspruchung ist direkt proportional zu AN2, wobei A der von den Turbinenschaufeln der letzten Stufe gebildete Ringbereich ist und N der Drehzahl entspricht. Durch die Begrenzung der Austrittsmachzahl kann der maximal zulässige Strom durch die Turbine und somit deren Ausgangsleistung bestimmt werden.
  • In einer bestimmten ursprünglichen Konstruktion, z.B. für eine Frequenz von 50 Hz oder 60 Hz, und hier beispielsweise für 60 Hz, können die (inneren) Nabenradien der Strömungsstrecke unter Berücksichtigung von Turbinenleistung, Rotorlänge und -gewicht, Leckagen und dergleichen festgelegt werden. Nach der Festlegung der Nabenradien und des Ringbereichs der letzten Stufe können die Radien der Schaufelblattspitzen definiert werden. Wegen des Terms N2 in der Gleichung für die Fliehkraftbeanspruchung sind bei der 60 Hz-Turbine mit der höheren Drehzahl die Schaufellängen begrenzt. Um unter den Bedingungen für die Konstruktion der 60 Hz-Maschine und unter Annahme einer identischen Brenntemperatur, gleicher Gasströmungseigenschaften sowie im Wesentlichen gleichartiger Druckverhältnisse die für eine 50 Hz-Maschine erforderliche zusätzliche Turbinenausgangsleistung bereitzustellen, muss der Massenstrom durch die einen konstanten Querschnitt aufweisende Strömungsstrecke der Turbine erhöht werden. Zum Erzielen dieses größeren Massenstroms bei gleichzeitiger Beibehaltung einer akzeptablen Austrittsmachzahl wird die Höhe des Austrittsrings vergrößert, um einen größeren Austrittsbereich zu schaffen. Bei einer 50 Hz-Turbine wird dieser Höhenzuwachs an den Leitrad- und Turbinenschaufeln der letzten Stufe im Blattspitzenbereich realisiert, während gleichzeitig ein mit der 60 Hz-Turbine übereinstimmender Nabenradius beibehalten wird. Infolgedessen weisen die Blattspitzen der Leitrad- und Turbinenschaufeln der letzten Stufe, z.B. der vierten Stufe in einer vierstufigen Turbine, vergrößerte Radien auf. Zur Aufrechterhaltung des Turbinendruckverhältnisses bei gleichzeitiger Vergrößerung des Massenstroms werden die Leitrad- und Turbinenschaufeln der ersten Stufe geändert, um ihre Verengungsbereiche, d.h. den als Strömungskanal verfügbaren Bereich, zu vergrößern. Die Querschnittsfläche des Rings, der die Strömungsstrecke der ersten Stufe bildet, bleibt gleich, obwohl sich deren Strömungsquerschnitt z.B. auf Grund der geänderten Ausrichtung ihrer Turbinenschaufeln und Trennwände vergrößert.
  • Wichtig ist, dass die dazwischen liegenden Stufen, d.h. die Geometrie der zweiten und dritten Stufe in einer vierstufigen Turbine, gemäß der vorliegenden Erfindung bei den Turbinen mit unterschiedlicher Ausgangsleistung bei unterschiedlichen Frequenzen unverändert bleiben. Obwohl der zwischen 50 Hz- und 60 Hz-Turbinen bestehende Unterschied bezüglich Drehzahl und Massenstrom eine geringfügige Änderung des Anströmwinkels des auf die Schaufelblätter der zweiten und dritten Stufe strömenden Gases verursacht, können solche Än derungen des Anströmwinkels bei der Konstruktion der Schaufelblätter für diese Stufen hingenommen werden. Obwohl außerdem der Gasdruck in der Strömungsstrecke bei Turbinen unterschiedlicher Leistung anders ist, können der Kühlluftstrom und der Spülstrom so gewählt werden, dass in beiden Maschinen ein geeigneter Rückstrombereich aufrechterhalten wird, damit das Eindringen von Heißgas aus der Strömungsstrecke in die Kühlkanäle der Komponenten der Heißgasströmungsstrecke ausgeschlossen ist.
  • Es ist nachvollziehbar, dass die Turbinenschaufelblätter normalerweise so ausgerichtet sind, dass zentrifugal generierte Biegebelastungen den vom Gasdruck generierten Belastungen entgegenwirken. In den dazwischen liegenden Stufen, z.B. in der zweiten und dritten Stufe einer vierstufigen Turbine, müssen die Schaufelblätter unter beiden Ausgangsleistungen und Frequenzen arbeiten, was zu zentrifugalen Biegebelastungen führt, die bei den zwei Drehzahlen voneinander abweichen. Es wurde jedoch festgestellt, dass die Schaufelblätter in Umfangsrichtung und axial in eine Zwischenposition geneigt werden können, um die resultierende Nettobiegungsbeanspruchung bei beiden Drehzahlen auf ein akzeptables Maß zu reduzieren.
  • Auf Grund der vorangegangenen Beschreibung ist weiterhin nachvollziehbar, dass die resultierenden Turbinen mit unterschiedlichen Ausgangsleistungen bei unterschiedlichen Frequenzen, z.B. 50 Hz- und 60 Hz-Turbinen, einen hohen Grad an Hardwareübereinstimmung aufweisen. Insbesondere der Rotor, die Rotorlaufräder für die Turbinenschaufeln aller vier Stufen, die Distanzscheiben zwischen den Stufen, die Laufradscheibe, die hintere Welle, die vordere Welle, die Dicht scheiben, die Turbinenschaufeln der zweiten und dritten Stufe, die Zwischenböden, die Deckbänder für die Turbinenschaufeln der zweiten und dritten Stufe sowie für die Turbinenschaufeln der ersten Stufe, die Innenschale und die Außenschale sind Hardwarekomponenten, die 50 Hz- und 60 Hz-Turbinen gemein haben. Etwas anders ausgedrückt handelt es sich bei den spezifischen Elementen der einzelnen 50 Hz- und 60 Hz-Maschinen prinzipiell um die Leitrad- und Turbinenschaufeln der ersten und letzten Stufe, die Deckbänder der letzten Stufe und die Diffusorverkleidung am Austrittsring. Die Erfindung ist daher dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenkomponententeile zur Verwendung in Turbinen für unterschiedliche Frequenzanwendungen, z.B. für 50 Hz- und 60 Hz-Anwendungen, einen hohen Grad an Modularität aufweisen.
  • Verschiedene Konstruktionskonzepte für Turbinen, die zur Erzeugung von Elektrizität eingesetzt werden, sind in folgenden Dokumenten erörtert: D. Kalderon, "Design of large steam turbines", GEC Turbine Generators LTD., Rugby, England XP002007571 sowie DE-A-2 408 642 und CH-A-85 282.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Turbinensystem zur Schaffung von Gasturbinen für einen Betrieb bei zwei oder mehr unterschiedlichen Ausgangsleistungen und Drehzahlen zur Verwendung in elektrischen Stromversorgungssystemen mit unterschiedlichen Stromfrequenzen bereitgestellt, wobei die Gasturbinen erste, dazwischen liegende und letzte Stufen enthalten, wobei jede Stufe einen festen Zwischenboden mit feststehenden Trennwänden und ein drehbares Turbinenrad mit Turbinenschaufeln aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das System Sätze von Turbinenstufen aufweist, in welchen jeweils die Turbinen zur Verwendung bei unterschiedlichen Stromnetz frequenzen erste Stufen mit sich voneinander unterscheidenden Geometrien; entsprechende letzte Stufen mit sich voneinander unterscheidenden Geometrien und dazwischen liegende Stufen mit identischen Geometrien aufweisen.
  • Die Turbine mit der ersten Ausgangsleistung kann bei einer ersten Drehzahl von 3600 UPM für ein 60 Hz-Stromversorgungsnetz betrieben werden, und die zweite Turbine mit der zweiten Ausgangsleistung kann bei einer Drehzahl von 3000 UPM für ein 50 Hz-Stromversorgungsnetz betrieben werden. Die letzte Stufe für die erste Turbine kann einen Austrittsring mit einer kleineren Querschnittsfläche als die Querschnittsfläche des Austrittsrings der letzten Stufe für die zweite Turbine besitzen. Die ersten Stufen jeder der ersten und zweiten Turbinen können voneinander abweichende Geometrien aufweisen.
  • Es ist dementsprechend ein primäres Ziel der vorliegenden Erfindung, Turbinen und Verfahren zum Konstruieren von Turbinen zu schaffen, wobei nicht geometrisch skalierte Turbinen unterschiedliche Ausgangsleistungen bei unterschiedlichen Frequenzen erbringen und wobei bei einer vernachlässigbaren Schmälerung der Turbinenleistung im Wesentlichen bedeutende Übereinstimmungen bezüglich der Hardware zwischen den Turbinen herrschen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Darstellung einer Gasturbine gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 2 ist ein schematisches Diagramm eines kombinierten Systems, in dem zur Erhöhung des Wirkungsgrads die Gasturbine und ein Dampfgenerator für die Wärmerückgewinnung zum Einsatz kommen.
  • 3a ist eine schematische Querschnittansicht einer gemäß der vorliegenden Erfindung konstruierten vierstufigen Turbine mit vordefinierter Ausgangsleistung und Frequenz.
  • 3b ist eine 3a ähnelnde Ansicht und veranschaulicht eine zweite Turbine mit einer anderen Ausgangsleistung und Frequenz als die in 3a dargestellte Turbine.
  • 4 ist eine schematische Darstellung der Strömungsstrecke der zwei in 3a bzw. 3b veranschaulichten Turbinen.
  • 1 ist ein schematisches Diagramm für eine einwellige Hochleistungsgasturbine 10 mit einfachem Zyklus, welche die vorliegende Erfindung anwendet. Die Gasturbine kann so aufgefasst werden, dass sie einen mehrstufigen Axialverdichter 12 mit einer Rotorwelle 14 umfasst. Die bei 16 in den Einlass des Verdichters eindringende Luft wird vom Axialverdichter 12 verdichtet und anschließend einem Brenner 18 zugeführt, in dem ein Brennstoff wie Erdgas verbrannt wird, um hochenergetische Verbrennungsgase zu erzeugen, welche die Turbine 20 antreiben. In der Turbine 20 wird die Energie der Heißgase in Arbeit umgewandelt, die zu einem Teil zum Antreiben des Verdichters 12 über die Welle 14 verwendet wird, wobei die Restmenge für nützliche Arbeit zum Antreiben einer Last, beispielsweise eines Generators 22 zur Erzeugung von Elektrizität, an einer Rotorwelle 24 zur Verfügung steht. Eine typische Gasturbine mit einfachem Zyklus wandelt 30 bis 35% des eingesetzten Brennstoffs in Wellenleistung um. Bis auf 1 bis 2% liegt die gesamte Restmenge als Abgaswärme vor, die bei 26 die Turbine 20 verlässt. Höhere Wirkungsgrade lassen sich erzielen, indem die Gasturbine 10 in einer kombinierten Konfiguration eingesetzt wird, in der die im Abgasstrom der Turbine innewohnende Energie in zusätzliche nützliche Arbeit umgewandelt wird.
  • 2 stellt die einfachste Form eines kombinierten Zyklus dar, bei dem die Abgase, welche bei 26 die Turbine 20 verlassen, in einen Generator 28 eines Wärmerückgewinnungssystems strömen, in dem Wasser wie in einem Abhitzekessel in Dampf umgewandelt wird. Der auf diese Weise produzierte Dampf treibt eine Dampfturbine 30 an, in der zusätzliche Arbeit extrahiert wird, um über die Welle 32 ein zusätzliche Last, wie z.B. einen zweiten Generator 34, anzutreiben, der wiederum zusätzliche elektrische Leistung erzeugt. In einigen Konfigurationen treiben die Turbinen 20 und 30 einen gemeinsamen Generator an. Kombinierte Zyklen, die ausschließlich elektrische Leistung erzeugen und in denen fortschrittlichere Gasturbinen zum Einsatz kommen, haben einen thermischen Wirkungsgrad von 50 bis 60%.
  • In den beiden Anwendungen, die in den 1 und 2 dargestellt sind, speist der Generator normalerweise Strom in ein Stromversorgungsnetz ein. Das Stromversorgungsnetz weist konventionell eine Frequenz von 50 Hz oder 60 Hz auf, auch wenn der Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung Anwendungen für Turbinenleistungen bei anderen Frequenzen als 50 Hz und 60 Hz einschließt. Wie bereits erwähnt wurde, ist gemäß der herkömmlichen Praxis der Bereitstellung von Turbinen für die landbasierte Stromerzeugung jeweils eine Turbine pro Frequenzanwendung und Nennleistung erforderlich, was einen Mangel an Hardwareübereinstimmung zwischen den verschiedenen Turbinen zur Folge hat. Auch wenn durch die Anwendung der geometrischen Skalierung verschiedene Turbinen für Anwendungen bei unterschiedlichen Frequenzen konstruiert und dadurch die Kosten gesenkt wurden, ist jede Turbine weiterhin ein Einzelexemplar. Die vorliegende Erfindung ermöglicht Turbinen, welche die Beziehung zwischen der Ausgangsleistung bei unterschiedlichen Frequenzen und dem Skalierungsfaktor auflösen, wodurch erheblich mehr übereinstimmende Turbinenhardware für unterschiedliche Kombinationen aus Leistung und Drehzahl oder Frequenz eingesetzt werden kann als es das reine geometrische Skalieren derzeit erlaubt.
  • In den 3a und 3b ist ein Turbinenpaar Ta und Tb dargestellt, das in den oben beschriebenen Systemen zur Anwendung kommt. Die in 3a dargestellte Turbine Ta kann beispielsweise in 60 Hz-Anwendungen zum Einsatz kommen, während die in 3b dargestellte Turbine Tb in 50 Hz-Anwendungen zum Einsatz kommen kann. Es sei nur soviel gesagt, dass die zwei Turbinen Ta und Tb bei den 60 Hz- und 50 Hz-Anwendungen für unterschiedliche Ausgangsleistungen konzipiert sind. In 3a weist die Turbine Ta eine Außenschale 40a, die den strukturellen Außenmantel oder das Außengehäuse der Turbine bildet, sowie eine Innenschale 42 und einen Rotor Ra auf. Am Rotor Ra sind eine Vielzahl von Turbinenschaufelrädern 44a sowie zwischen benachbarten Turbinenschaufelrädern 44a angeordnete Abstandsräder 46a montiert, die alle zwischen der vorderen und hinteren Welle 48a bzw. 50a durch eine Vielzahl von Bolzen 52a miteinander verbunden sind, die um die Längsachse des Rotors Ra angeordnet sind. Die Turbine Ta weist eine erste Stufe, mindestens eine dazwischen liegende Stufe (vorzugsweise zwei) und eine letzte Stufe auf, wobei jede Stufe einen Zwischenboden, auf dem eine Vielzahl von in Umfangsrichtung zueinander beabstandeten Trennwänden oder Leitschaufeln zwischen Innen- und Außenringen montiert sind, und eine Vielzahl von Turbinenschaufeln aufweist, die auf den Turbinenrädern montiert sind. Die Darstellung zeigt eine vierstufige Turbine mit den Leitschaufeln 54a und Turbinenschaufeln 56a der ersten Stufe, den Leitschaufeln 58a und Turbinenschaufeln 60a der zweiten Stufe, den Leitschaufeln 62a und Turbinenschaufeln 64a der dritten Stufe und den Leitschaufeln 66a und Turbinenschaufeln 68a der vierten Stufe. Die Leitschaufeln 54a, 58a, 62a und 66a bilden einen Teil der Zwischenböden, auf denen die zwischen dem inneren und äußeren Zwischenbodenring verlaufenden Trennwände auf übliche Weise montiert sind. Außerdem trägt die Innenschale 42a die Deckbänder 70a und 72a, welche die Spitzen der Turbinenschaufeln 56a und 60a der ersten bzw. zweiten Stufe umschließen. Die Deckbänder 74a und 76a werden direkt von der Außenschale 40a um die Spitzen der Turbinenschaufeln 64a und 68a der dritten bzw. vierten Stufe getragen. Folglich bilden die Leitschaufeln, die Deckbänder und die Außenflächen der Turbinenschaufelräder eine durch die Turbine verlaufende ringförmige Strömungsstrecke, die heiße Verbrennungsgase zur Ausdehnung auf die verschiedenen Stufen aufnimmt und dadurch Arbeit auf die Turbinenschaufeln und den Rotor überträgt.
  • Die in 3b dargestellte Turbine Tb weist gleiche Teile auf, die auf gleichartige Weise angeordnet und durch gleiche Referenznummern gekennzeichnet sind, auf die der Buchstabe "b" folgt. Wie bereits erörtert, ist die in 3a dargestellte Turbine Ta für eine bestimmte Ausgangsleistung bei einer bestimmten Drehzahl und Stromnetzfrequenz, z.B. 3600 UPM für 60 Hz-Anwendungen, konzipiert, während die in 3b dargestellte Turbine für eine bestimmte Ausgangsleistung bei einer anderen Drehzahl und Stromnetzfrequenz, z.B. 3000 UPM für 50 Hz-Anwendungen, konzipiert ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung weisen die Turbinen einen hohen Grad an Hardwareübereinstimmung auf, wobei die gemeinsamen Hardwareteile austauschbar in jeder der zwei Turbinen verwendet werden können, die unterschiedliche Ausgangsleistungen bei unterschiedlichen Frequenzen aufweisen. Wie bereits zuvor erwähnt wurde, ist die Querschnittsfläche des Rings, der die Strömungsstrecke der ersten, zweiten und dritten Stufe bildet, in den zwei Turbinen identisch. Um jedoch unterschiedliche Ausgangsleistungen bei einer übereinstimmenden Strömungsstrecke zu erzielen, ist es erforderlich, den Massenstrom durch die Turbine bei den unterschiedlichen Drehzahlen der zwei Turbinen anzupassen. Der Innenradius der Strömungsstrecke wird so festgelegt, dass er in den zwei Turbinen übereinstimmt. Der Ring der letzten Stufe kann gleichermaßen für eine bestimmte Brenntemperatur, ein bestimmtes Turbinendruckverhältnis und eine bestimmte Menge zugeführter Kühlluft definiert werden und bestimmt dadurch den Radius der Schaufelblattspitzen der letzten Stufe. Auf Grund der hohen Fliehkraftbeanspruchung in der letzten Stufe und der Notwendigkeit, eine geeignete Legierung für die Turbinenschaufeln der letzten Stufe auszuwählen, ist jedoch die Schaufellänge der für die höhere Frequenz vorgesehenen Turbine, d.h. der 60 Hz-Turbine, begrenzt. Zur Erzeugung des für eine 50 Hz-Turbine notwendigen, größeren Massenstroms bei gleichzeitiger Beibehaltung einer akzeptablen Austrittsmachzahl und mit einem konstanten Strömungsquerschnitt durch mindestens die erste, zweite und dritte Stufe wird daher die Höhe des Austrittsrings der letzten Stufe vergrößert, um einen größeren Austrittsbereich zu schaffen. Der Innenradius des Zwischenbodens und der Turbinenschaufeln der letzten Stufe bleibt jedoch gleich, und infolgedessen werden die Radien der Trennwände und Turbinenschaufeln der letzten Stufe am Außenradius der Strömungsstrecke vergrößert, damit im Vergleich zur 60 Hz-Turbine die an die 50 Hz-Turbine gestellten Anforderungen eines größeren Massenstroms und einer niedrigeren Drehzahl erfüllt werden. Um das Turbinendruckverhältnis bei gleichzeitiger Ermöglichung eines größeren Massenstroms aufrechtzuerhalten, werden darüber hinaus die Leit- und Turbinenschaufeln der ersten Stufe neu gestaffelt, um deren Verengungsbereiche bei Beibehaltung eines konstanten Ringbereichs zu vergrößern. Infolgedessen wird die Ausrichtung der Turbinenschaufeln und Trennwände in der ersten Stufe der 60 Hz-Turbine geändert, wenn eine 50 Hz-Turbine gefertigt wird. Die Profile der Schaufelblätter der ersten Stufe werden ebenfalls geändert, um die Vergrößerung des Massenstroms zu ermöglichen. Es wurde jedoch festgestellt, dass die Drehzahl- und Massenstromänderungen zwischen der 60 Hz- und der 50 Hz-Turbine ohne wesentliche Leistungsverluste durch ein spezielles (und übereinstimmendes) Schaufelblattdesign in den zweiten und dritten Stufen realisiert werden können. Die zweiten und dritten Stufen, einschließlich der Trennwände, Turbinenschaufeln, Räder und Deckbänder, werden daher identisch dimensioniert und bemaßt, damit die gegenseitige Austauschbarkeit der zweiten und dritten Stufen in jeder der zwei Turbinen mit unterschiedlichen Ausgangsleistungen und Frequenzanwendungen gewährleistet ist. Das heißt, dass die dazwischen liegenden Stufen der Turbinenkonstruktion für den Einbau in jeder der zwei Maschinen mit unterschiedlicher Ausgangsleistung bei unterschiedlichen Frequenzen modularisiert werden können. Wie durch die gemeinsamen getüpfelten Bereiche in den 3a und 3b dargestellt, sind die Trennwände und Turbinenschaufeln der zweiten und dritten Stufen der zwei Maschinen identisch. Ferner stellen die Rotorräder für alle Turbinenschaufeln, z.B. die Turbinenschaufeln der ersten, zweiten, dritten und vierten Stufe, die Distanzscheiben zwischen den Stufen, die Laufradscheibe, die hintere und vordere Welle sowie die Dichtscheiben Hardware dar, die zwischen der 60 Hz- und der 50 Hz-Maschine übereinstimmt. Es gilt auch zu beachten, dass die Deckbänder für die Turbinenschaufeln der ersten, zweiten und dritten Stufe sowie die Innen- und Außenschale der 60 Hz- und der 50 Hz-Turbine übereinstimmen. Wichtig ist, dass die Rotoren Ra und Rb ebenfalls übereinstimmen.
  • Wie beim Vergleich der 3a und 3b durch die unterschiedlichen Schattierungen dargestellt, tritt die Spezifik der 50 Hz- und 60 Hz-Turbinen primär in der ersten und letzten Stufe zutage. Vor allem in der ersten Stufe wird der Verengungsbereich zwischen den Trennwänden der 50 Hz-Turbine so geöffnet, dass im Vergleich zur 60 Hz-Turbine ein größerer Massenstrom ermöglicht wird. Im Hinblick auf die letzte oder vierte Stufe wird der Radius der Turbinenschaufeln und Trennwände an deren Blattspitzenenden vergrößert, um den größeren Massenstrom bei der 50 Hz-Maschine zu ermöglichen.
  • In 4 wird der Unterschied bezüglich der Strömungsstrecke durch die zwei Turbinen mit unterschiedlichen Ausgangsleistungen für 60 Hz- und 50 Hz-Anwendungen veranschaulicht. Die erste, zweite, dritte und vierte Stufe ST1, ST2, ST3 und ST4 sind jeweils mit Leitschaufeln und Turbinenschau feln dargestellt, die durch die Buchstaben N bzw. B und einer die Turbinenstufe anzeigenden Nummer gekennzeichnet sind. Es ist nachvollziehbar, dass die Querschnittsfläche des Rings sowohl bei der 50 Hz- als auch bei der 60 Hz-Turbine in der ersten, zweiten und dritten Stufe identisch ist, und dass die Strömungsstrecke durch die zweiten und dritten Stufen identisch ist. Im Hinblick auf die vierte Stufe weist die 60 Hz-Maschine mit dem geringeren Massenstrom und der höheren Drehzahl eine Ringaußenwand 80 auf, während die 50 Hz-Maschine mit dem größeren Massenstrom und der niedrigeren Drehzahl eine Außenwand 82 aufweist. Für die 50 Hz-Maschine mit dem größeren Massenstrom und der niedrigeren Drehzahl wird die Radiusvergrößerung an den Blattspitzen der Leitschaufeln N4 und Turbinenschaufeln B4 der vierten Stufe folglich durch die durchgezogene Linie 82 angezeigt.

Claims (4)

  1. Turbinensystem zur Schaffung von Gasturbinen für einen Betrieb bei zwei oder mehr unterschiedlichen Ausgangsleistungen und Drehzahlen zur Verwendung in elektrischen Stromversorgungssystemen mit unterschiedlichen Stromnetzfrequenzen, wobei die Gasturbinen erste (54a, 56), dazwischenliegende (58a, 60a, 62a, 64a) und letzte (64a, 66a) Stufen enthalten, wobei jede Stufe einen festen Zwischenboden mit feststehenden Trennwänden, und ein drehbares Turbinenrad (44a usw.) mit Turbinenschaufeln aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das System Sätze von Turbinenstufen aufweist, in welchen jeweils die Turbinen zur Verwendung bei unterschiedlichen Stromnetzfrequenzen erste Stufen mit sich voneinander unterscheidenden Geometrien; entsprechende letzte Stufen mit sich von einander unterscheidenden Geometrien und dazwischenliegende Stufen mit identischen Geometrien aufweisen.
  2. Turbine nach Anspruch 1, wobei die Turbine mit der ersten Ausgangsleistung bei einer ersten Drehzahl von 3600 UPM für ein 60 Hz Stromversorgungsnetz betrieben werden kann und die zweite Turbine mit der zweiten Ausgangsleistung bei einer Drehzahl von 3000 UPM für ein 50 Hz Stromversorgungsnetz betrieben werden kann.
  3. Turbine nach Anspruch 1, wobei die letzte Stufe für eine erste Turbine einen Austrittsring (80) mit einer kleineren Querschnittsfläche als die Querschnittsfläche des Austrittsrings der letzten Stufe für eine zweite Turbine (82) besitzt.
  4. Verfahren zum Herstellen erster und zweiter Turbinen mit im wesentlichen identischen Brenntemperaturen und Druckverhältnissen zur Verwendung mit Gasströmen mit im wesentlichen identischen Eigenschaften, wobei jede Turbine erste (54, 56), dazwischenliegende (58, 60, 62, 64) und letzte (66, 68) Stufen besitzt, wobei jede Stufe Trennwände und Schaufeln enthält, gekennzeichnet durch die Schritte: Ausbilden eines Paares erster Stufen zum Einbau in die ersten bzw. zweiten Turbinen, wobei die ersten Stufen sich voneinander unterscheidende Geometrien besitzen; Ausbilden eines Paares letzter Stufen zum Einbau in die ersten, bzw. zweiten Turbine, wobei die letzten Stufen sich voneinander unterschiedliche Geometrien aufweisen; Ausbilden eines Paares zwischenliegender Stufen mit zueinander identischen geometrischen Eigenschaften zum Einbau in die ersten, bzw. zweiten Turbine; und Einbauen der Stufen in die ersten bzw. zweiten Turbine.
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