EP0929736B1 - Dampfturbine sowie verfahren zur kühlung einer dampfturbine im ventilationsbetrieb - Google Patents

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EP0929736B1
EP0929736B1 EP97909144A EP97909144A EP0929736B1 EP 0929736 B1 EP0929736 B1 EP 0929736B1 EP 97909144 A EP97909144 A EP 97909144A EP 97909144 A EP97909144 A EP 97909144A EP 0929736 B1 EP0929736 B1 EP 0929736B1
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EP
European Patent Office
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steam
steam turbine
guide
turbine
condensate
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EP97909144A
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Dietmar Bergmann
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K13/00—General layout or general methods of operation of complete plants
    • F01K13/02—Controlling, e.g. stopping or starting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K7/00—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating
    • F01K7/16—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type
    • F01K7/22—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type the turbines having inter-stage steam heating
    • F01K7/226—Inter-stage steam injection
    • 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
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K13/00—General layout or general methods of operation of complete plants
    • F01K13/02—Controlling, e.g. stopping or starting
    • F01K13/025—Cooling the interior by injection during idling or stand-by

Definitions

  • the invention relates to a steam turbine with a a main axis directed turbine runner, by a Inner housing is surrounded.
  • One is in the inner housing Turbine rotor surrounding guide vane structure arranged, which has guide vanes.
  • the invention further relates to a method for cooling a Steam turbine in ventilation mode, in particular a low-pressure steam turbine.
  • the water film peels off at the rear edges and forms secondary drops with a diameter of up to about 400 ⁇ m.
  • This yourself Detachable steam drops can impact the blades lead to material removal, especially if if the drops are on the order of 50 to 400 ⁇ m (so-called drop erosion).
  • the water film is often used to prevent this drop erosion suctioned off directly on the guide vane surface.
  • a hollow guide vane has slots that you Connect the interior to the condenser of the steam turbine.
  • DE-OS 19 51 922 is a device for prevention the formation of droplets in the low pressure stages of steam turbines specified.
  • the formation of droplets is prevented that the guide vanes of the last rows of guide vanes over one Outer ring superheated steam is supplied, which by the hollow guide vanes led to an inner ring and from this via a geodetically deep drain line is brought out again.
  • the guide vanes should be heated to the extent that condensation cannot take place at all.
  • the Austrian patent specification 250 402 describes that in guide vanes steam from previous stages inserted and back in through slots in the guide vanes the steam flow is fed. Avoiding the Formation of condensate on guide vanes is also in the US Pat. No. 3,306,576 treated using superheated steam a hollow guide vane is fed, and from this through holes in the Steam flow arrives. The superheated steam heats the steam flow to the extent that the saturation temperature is at least local is exceeded and no condensation takes place.
  • a turbine blade of a steam turbine which is hollow and an opening for discharging steam into a Main steam flow is also in the short extract Japanese Patent Application 54-14 1908, Patents Abstracts of Japan, Jan. 18, 1980, Vol. 4.
  • the condensate evaporates with a drop in temperature, which cools the ventilating turbine becomes. If the injection takes place at the outlet, it is limited the cooling effect often on parts of the turbine near the outlet; If the injection takes place at the inlet, condensate can that agglomerates in the area of the inlet through Splashing endangers the blading of the turbine. According to EP 0 602 040 B1 is therefore one between the outlet and tapping steam into the inlet of the steam turbine fed the steam turbine. This is how cooling comes in the turbine first the radially outer ends of the blades, which is caused by the friction in the Turbine located steam are the most polluted. The Cooling effect is therefore largely on the areas of the turbine limited in which it is desired. The cooling off of others Components of the turbine, for example the turbine shaft is avoided.
  • a tap connected to the tap is excluded Steam additionally supplied condensate, in particular by through a condensate transfer condensate into the steam transfer line and / or is injected into the bleed line.
  • the Condensate is preferably mixed with the steam in an atomizing nozzle mixed and from this atomizer nozzle into the Tap line injected.
  • a particularly high cooling effect is achieved.
  • the cooling process is controlled via a temperature measuring point between the tap and the outlet, depending on the measured temperature the delivery of the steam or the delivery of the steam-condensate mixture is regulated for tapping.
  • the the Quantity of steam or steam-condensate mixture supplied to the tap line is in the order of 1% of the steam flow when the steam turbine is operating.
  • the one for cooling steam used comes from a condensate container, which serves to collect, heat and degas the condensate.
  • Steam from the condensate tank, which is usually for the purpose heating steam is supplied to the degassing of the condensate saturated due to the coexistence of steam and condensate, possibly even mixed with finely divided condensate, and is therefore particularly suitable for injection into the ventilating one Turbine.
  • steam can be a steam discharge are taken out by the during ventilation operation Steam is directed past the low pressure turbine.
  • a such steam discharge leads, for example, the steam from one the high-pressure steam turbine upstream of the low-pressure steam turbine or from an arrangement of a high-pressure steam turbine and a medium pressure steam turbine around the low pressure steam turbine around to a heater or the like where the steam may be cooled and condensed becomes.
  • a steam-condensate mixture can be the steam to be tapped into such Heating device can be removed.
  • the steam can also one of the high pressure or upstream of the low pressure steam turbine Medium pressure steam turbine directly or indirectly, for example one of these preheaters or the like, be removed.
  • Such steam usually has a sufficiently high intrinsic pressure, so that without separate Pumping or the like feed into the ventilating Steam turbine can be done.
  • the object of the invention is to provide a steam turbine, which is simple and effective in a ventilation operation coolable and condensation easily and effectively avoidable on guide vanes, at least. can be reduced.
  • Another object of the invention is therein, a method for cooling a steam turbine in ventilation mode specify.
  • a steam turbine Task solved by at least one vane of the steam turbine has a cavity with a fluid line is connected to the supply of cooling fluid and at least from the an opening line branches off on the outer Surface of the guide vane opens out.
  • ventilation mode especially the blades of the last rows of blades of a low pressure steam turbine.
  • a ventilation operation forms a meandering flow from which has a low effective backflow.
  • a feed of finely atomized water or wet steam, generally cooling fluid, via the opening line in the Steam turbine inside provides cooling upstream of the outlet the guide and rotor blades. Evaporation of water droplets effective cooling, in particular the last rows of low pressure blades, which are in ventilation mode experience the highest warming.
  • the steam turbine can by switching the supply of Fluid in the fluid line, on the one hand, by acting on it a hot fluid in a regular power plant Avoiding the condensation of the action steam on the with the Guide vanes connected to the fluid line are heated locally and to others by applying a cooling fluid, for example Water or wet steam, in a ventilation company be cooled.
  • a cooling fluid for example Water or wet steam, in a ventilation company be cooled.
  • the opening pipe is on the outside Surface preferably formed as a hole, in particular with an approximately circular or elliptical cross section.
  • a fluid preferably superheated steam
  • a vapor cushion is created that agglomerates the prevents large drops on the blade surface.
  • the Admixture of hot steam around the outside Surface of the guide vane in particular reduces the proportion of wet steam, for example on the last row of low-pressure vanes a low-pressure steam turbine otherwise would be quite high. This increases the risk of drip erosion at least significantly reduced.
  • the hollow vane is preferably in one of the last rows of vanes, especially the third to last, the penultimate or the last Guide vane row, arranged.
  • the guide vanes of the steam turbine are preferably one Outer ring space for guiding the required Connected fluid in which the fluid line opens. hereby all guide vanes can be easily adjusted Feed the fluid to a row of guide vanes.
  • the outer annulus has condensation water in its deep area preferably a drainage pipe.
  • the fluid line is preferably in one geodetically high-lying area connected to the outer annulus.
  • the guide vanes with an inner annulus connected.
  • the Cavity extends from the outer annulus to the inner annulus, is therefore also a supply of the fluid from both Inner annulus as well as from the outer annulus into the individual Guide vanes possible.
  • the steam turbine is preferably during power operation with a system component carrying superheated steam, for example a high pressure steam turbine, and / or during a ventilation operation with a water, in particular Condensate, or wet steam-carrying system component, for example a condenser, a preheater, a heat exchanger etc. connectable.
  • a system component carrying superheated steam for example a high pressure steam turbine
  • a ventilation operation with a water, in particular Condensate, or wet steam-carrying system component, for example a condenser, a preheater, a heat exchanger etc. connectable.
  • Corresponding connecting lines between the fluid line and the corresponding system components are via appropriate actuators, shut-off valves, can be switched on or off. It is also possible to have a central one Provide actuator, which to different supply lines for hot fluid and cooling fluid and connected with the Fluid line is connected. Depending on the requirement, is about this actuator consists of one supply line or several supply lines a fluid with
  • the opening line opens preferably on the suction side in Area of the leading edge on the outer surface of the guide vane, whereby cooling fluid of the leading edge over the entire surface of the suction side the guide blade towards the trailing edge, as a cooling film, so to speak, spreads.
  • This mixes in performance operation Hot fluid with the action steam also in an area around around the surface of the vane, effectively making the Avoidance of larger condensate droplets avoided, at least is significantly reduced.
  • the on a method for cooling a steam turbine in ventilation mode directed task is solved in that a cooling fluid, in particular, into the cavity of a guide vane Wet steam or condensate is introduced, which by Opening lines, especially a large number of fine bores, flows out on the outer surface of the guide vane. This is particularly important for the last rows of blades Low pressure steam turbine for effective cooling of the Blades.
  • a cooling fluid in particular, into the cavity of a guide vane
  • Wet steam or condensate is introduced, which by Opening lines, especially a large number of fine bores, flows out on the outer surface of the guide vane.
  • This is particularly important for the last rows of blades Low pressure steam turbine for effective cooling of the Blades.
  • the hollow vane is preferably in one of the last three rows of vanes arranged.
  • FIG. 1 schematically shows a section of a thermal power plant with a high-pressure steam turbine 17a, a low-pressure steam turbine 1, a condenser 18a and a condensate container 36; other components of the thermal power plant, for example a boiler or a generator are not shown.
  • the components of the thermal power plant shown are connected to each other by steam connecting lines 28 or Condensate lines 29 connected.
  • Condensate line 29 a condensate pump 37 is inserted.
  • the low pressure steam turbine 1 is with the high pressure steam turbine 17a rigidly coupled, so that the not shown
  • the rotors of both steam turbines 1 and 17a run synchronously.
  • a fluid line 7 is arranged with a cavity 6 of a guide vane 5a (see FIGS.
  • the condensate is in the condensate container 36 heated by steam which through a heating steam line 32nd is supplied from the high pressure steam turbine 17a. Above the condensate level is in the condensate tank 36 a steam space 42 filled with steam. This steam space 42 steam is removed and through a steam conduit 38 the Fluid line 7 supplied. Furthermore, the fluid line 7 through a condensate transfer line 39 condensate from the condensate container 36 fed.
  • a branch of the heating steam line 32 is connected to the fluid line via a corresponding valve 27 7 connected.
  • the steam transfer line 38 and the condensate transfer line 39 each also have a valve 27 and are connected to the fluid line 7.
  • All valves 27 are with a temperature measuring point 40 in the low pressure steam turbine 1 connected via a control line 41. hereby the amount of condensate and Steam from the steam room 42 and superheated steam from the high-pressure steam turbine 17a regulated in the fluid line 7 and via the Feed the guide vane 5a into the low-pressure steam turbine 1. This is a controlled cooling of the low pressure steam turbine 1 in ventilation mode, without submission of work, and a supply of superheated steam in the guide vane 5a for reduction the condensation of action steam feasible.
  • steam can for example the heat exchanger 31 or a not shown High pressure steam turbine 17a associated preheater become.
  • FIG. 2 shows a section through a double-flow low-pressure steam turbine 1 with one directed along a main axis 2
  • Turbine rotor 3 the blades 24 carries the barrel.
  • the turbine rotor 3 is mounted in a turbine bearing 22 and with respect to the inner casing 4 of the steam turbine 1 a rotor seal 23 sealed.
  • alternating guide vanes 5, which are connected to the inner housing 4 are, and the blades 24 of the rotor 3 arranged.
  • the guide blades 5, in particular the guide blade 5a the last low-pressure guide vane row (guide vane structure 11) are, for example, inclined in the axial direction and executed in the circumferential direction hollow guide vanes.
  • the guide blades 5, 5a are a row of guide blades on an outer ring 12 of the inner housing 4, which also is hollow, welded and with one adjacent to the rotor 3 and this surrounding inner ring 16 welded and thus interconnected.
  • the low pressure steam turbine 1 is traversed by action steam 19 in the axial direction, which is directed vertically through an exhaust pipe 20 the steam turbine 1 is led out.
  • the guide vane 5a points in the vicinity of its leading edge 26 on the suction side, preferably essentially facing the outer annular space 12 Opening lines 9b and on the pressure side of the opening lines 9a (see FIG. 4, 5) through which fluid 8 in the Flow area of the action steam 19 can be fed.
  • FIG. 3 shows a cross section through the guide vane structure 11 of the last guide vane row of the steam turbine 1.
  • a fluid line 7 which can be shut off with a valve 27 is.
  • the guide vanes welded to the outer annular space 15 5a extend radially in the direction of the main axis 2 of the turbine runner 3. You are with one of the turbine runner 3 surrounding inner annulus 16 welded.
  • the Guide vane structure 11 is made up of two precisely fitting halves are joined together at a parting line 25. in the geodetically lowest-lying region 13 of the outer annular space 12 a drainage line 14 is provided.
  • the steam turbine 1 causes the outflow Fluid 8 forms a cooling of the guide vane 5a, in particular a cooling film over the outer surface 10.
  • the cavity 6 is superheated steam supplied via the fluid line 7, which is located on the outer surface 10 mixed with the action steam 19 and especially if the latter is saturated steam, to one significant increase in temperature of the action steam 19 leads.
  • the hot steam supplied causes the Guide vane 5a, so that formation of condensate droplets, in particular at the trailing edge of the guide vane 5a diminished, if not completely avoided.
  • the invention is characterized in that guide vanes, especially one or more of the last three rows of vanes a low pressure steam turbine, have a cavity, from the opening lines to the surface of each Guide the guide vane. This cavity is over one Fluid line during a ventilation operation cooling fluid, especially wet steam or condensate, and in a power plant Hot steam can be supplied. This is done by simple Effective means in ventilation operation a cooling of the guide vane and a in power operation Warming of the guide vane and heating of the action steam with avoidance of condensation on the guide vane reached.

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Description

Die Erfindung betrifft eine Dampfturbine mit einem entlang einer Hauptachse gerichteten Turbinenläufer, der von einem Innengehäuse umgeben ist. In dem Innengehäuse ist eine den Turbinenläufer in Umfangsrichtung umgebende Leitschaufelstruktur angeordnet, die Leitschaufeln aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Kühlung einer Dampfturbine im Ventilationsbetrieb, insbesondere einer Niederdruck-Dampfturbine.
Es ist bekannt, beispielsweise aus dem Buch "Strömungsmaschinen" von K. Menny, Teubner-Verlag, Stuttgart, 1985, Abschnitt 3.4.6 "Naßdampfstufen", daß in Dampfturbinen, insbesondere den sogenannten Naßdampfstufen, eine Kondensation des Aktionsdampfes stattfindet. Bei einer Entspannung des Dampfes in der Dampfturbine liegt bei einem Unterschreiten der Grenzkurve zum Naßdampfgebiet, beispielsweise bei Kondensationsturbinen, ein unterkühlter Dampf vor, dessen Temperatur niedriger als die zum Dampfpunkt gehörige Sättigungstemperatur ist. Bei einer bestimmten Unterkühlung setzt eine spontane Kondensation ein, bei der kleine Nebeltröpfchen entstehen, die sich in Form eines Wasserfilms bzw. einzelner Wassersträhnen auf den Leitschaufeln absetzen können. Von deren Hinterkanten löst sich der Wasserfilm ab und bildet Sekundärtropfen mit einem Durchmesser bis zu etwa 400 µm. Diese sich ablösenden Dampftropfen können bei Aufprall auf die Laufschaufeln zu einem Materialabtrag führen, insbesondere dann, wenn die Tropfen einen Durchmesser in der Größenordnung von 50 bis 400 µm haben (sogenannte Tropfenschlagerosion). Zur Vermeidung dieser Tropfenschlagerosion wird häufig der Wasserfilm direkt an der Leitschaufeloberfläche abgesaugt. Hierzu weist eine hohle Leitschaufel Schlitze auf, die ihr Inneres mit dem Kondensator der Dampfturbine verbinden.
In der DE-OS 19 51 922 ist eine Einrichtung zur Verhinderung der Tröpfchenbildung in den Niederdruckstufen von Dampfturbinen angegeben. Eine Tröpfchenbildung wird dadurch verhindert, daß den Leitschaufeln der letzten Leitschaufelreihen über einen Außenring Heißdampf zugeführt wird, welcher durch die hohl ausgebildeten Leitschaufeln zu einem Innenring geführt und von diesem über eine geodätisch tief liegende Abströmleitung wieder herausgeführt wird. Durch die Zuführung von Heißdampf sollen die Leitschaufeln soweit aufgeheizt werden, daß eine Kondensation erst gar nicht stattfinden kann.
In der österreichischen Patentschrift 250 402 ist beschrieben, daß in Leitschaufeln Dampf aus vorhergehenden Stufen eingeführt und durch Schlitze in den Leitschaufeln wieder in die Dampfströmung eingespeist wird. Die Vermeidung der Bildung von Kondensat auf Leitschaufeln ist ebenfalls in der US-PS 3,306,576 behandelt, wobei Heißdampf einer hohlen Leitschaufel zugeführt wird, und aus dieser über Bohrungen in die Dampfströmung gelangt. Der Heißdampf heizt die Dampfströmung soweit auf, daß die Sättigungstemperatur zumindest lokal überschritten ist und keine Kondensation stattfindet.
Eine Turbinenschaufel einer Dampfturbine, welche hohl ausgeführt ist und eine Öffnung zum Ableiten von Dampf in eine Hauptdampfströmung aufweist, ist ebenfalls in dem Kurzauszug zur japanischen Patentanmeldung 54-14 1908, Patents Abstracts of Japan, Jan. 18, 1980, Vol. No. 4, beschrieben.
In der EP 0 602 040 B1 sowie in der korrespondierenden DE 41 29 518 A1 ist ein Verfahren zur Kühlung einer Niederdruck-Dampfturbine im Ventilationsbetrieb beschrieben, wobei der Rotor der Dampfturbine ohne Beaufschlagung mit zu entspannendem Dampf gedreht wird. In einer im Ventilationsbetrieb arbeitenden Niederdruck-Turbine herrscht eine Dampfatmosphäre vor, deren statischer Druck dem in dem mit der Niederdruck-Turbine verbundenen Kondensator herrschenden Druck entspricht. Die Reibung der Turbinenschaufeln an dem Dampf (Ventilation) kann zu beachtlicher Wärmeentwicklung führen, wodurch die Turbine stark, möglicherweise sogar unzulässig hoch, aufgeheizt werden kann. Um dies zu vermeiden, werden Kühlmaßnahmen angewandt, bei denen beispielsweise in den Auslaß oder, falls die aufzuwendende Kühlleistung besonders hoch sein muß, in den Einlaß der Turbine Kondensat unter Zerstäubung eingespritzt wird. Das Kondensat verdampft unter Temperaturabsenkung, wodurch die ventilierende Turbine gekühlt wird. Erfolgt die Einspritzung am Auslaß, so beschränkt sich die Kühlwirkung häufig auf Teile der Turbine in der Nähe des Auslasses; erfolgt die Einspritzung am Einlaß, kann Kondensat, das sich im Bereich des Einlasses agglomeriert, durch Schwallbildung die Beschaufelung der Turbine gefährden. Gemäß der EP 0 602 040 B1 wird daher über eine zwischen dem Auslaß und dem Einlaß der Dampfturbine liegende Anzapfung Dampf in die Dampfturbine eingespeist. Auf diese Weise kommt die Kühlung in der Turbine zunächst den radial außen liegenden Enden der Schaufeln zugute, die durch die Reibung an dem in der Turbine befindlichen Dampf am höchsten belastet sind. Die Kühlwirkung ist somit weitgehend auf die Bereiche der Turbine beschränkt, in denen sie erwünscht ist. Die Abkühlung anderer Komponenten der Turbine, beispielsweise der Turbinenwelle, wird vermieden.
Einer mit der Anzapfung verbundenen Zapfleitung wird außer Dampf zusätzlich Kondensat zugestellt, insbesondere indem durch eine Kondensat-Überleitung Kondensat in die Dampf-Überleitung und/oder in die Anzapfleitung eingespritzt wird. Das Kondensat wird vorzugsweise mit dem Dampf in einer Zerstäuberdüse gemischt und aus dieser Zerstäuberdüse in die Zapfleitung eingespritzt. Durch ein in feine Tröpfchen verteiltes Kondensat, deren Tröpfchendurchmesser kleiner als etwa 0,1 mm sind, wird eine besonders hohe Kühlwirkung erzielt. Eine Steuerung des Kühlverfahrens erfolgt über eine zwischen der Anzapfung und dem Auslaß liegende Temperaturmeßstelle, wobei in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur die Zustellung des Dampfes, bzw. die Zustellung des Dampf-Kondensat-Gemisches zur Anzapfung geregelt wird. Die der Zapfleitung zugeführte Menge an Dampf bzw. Dampf-Kondensat-Gemisch liegt etwa in der Größenordnung von 1 % des Dampfstroms bei Leistungsbetrieb der Dampfturbine. Der zur Kühlung verwendete Dampf stammt aus einem Kondensatbehälter, welcher der Sammlung, Aufwärmung und Entgasung des Kondensats dient. Dampf aus dem Kondensatbehälter, dem in der Regel zum Zwecke der Entgasung des Kondensats Heizdampf zugeführt wird, ist aufgrund der Koexistenz von Dampf und Kondensat gesättigt, eventuell sogar mit fein verteiltem Kondensat versetzt, und eignet sich daher besonders zur Einspritzung in die ventilierende Turbine. Weiterhin kann Dampf einer Dampf-Ableitung entnommen werden, durch die beim Ventilationsbetrieb der Dampf an der Niederdruck-Turbine vorbei geleitet wird. Eine solche Dampf-Ableitung führt beispielsweise den Dampf von einer der Niederdruck-Dampfturbine vorgeschalteten Hochdruck-Dampfturbine bzw. von einer Anordnung aus einer Hochdruck-Dampfturbine und einer Mitteldruck-Dampfturbine um die Niederdruck-Dampfturbine herum zu einer Heizeinrichtung oder dergleichen, wo möglicherweise der Dampf abgekühlt und kondensiert wird. Zum Erhalt eines Dampf-Kondensat-Gemisches kann der der Anzapfung zuzustellende Dampf einer solchen Heizeinrichtung entnommen werden. Der Dampf kann ebenfalls einer der Niederdruck-Dampfturbine vorgeschalteten Hochdruckoder Mitteldruck-Dampfturbine direkt oder indirekt, beispielsweise einem von dieser gespeisten Vorwärmer oder dergleichen, entnommen werden. Ein solcher Dampf hat üblicherweise einen hinreichend hohen Eigendruck, so daß ohne gesonderte Pumpen oder dergleichen eine Einspeisung in die ventilierende Dampfturbine erfolgen kann.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Dampfturbine anzugeben, welche auf einfache und effektive Art und Weise in einem Ventilationsbetrieb kühlbar und bei der eine Kondensation an Leitschaufeln einfach und wirksam vermeidbar, zumindest. verminderbar, ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Kühlung einer Dampfturbine im Ventilationsbetrieb anzugeben.
Erfindungsgemäß wird die auf eine Dampfturbine gerichtete Aufgabe gelöst, indem zumindest eine Leitschaufel der Dampfturbine einen Hohlraum aufweist, der mit einer Fluidleitung zur Einspeisung von Kühlfluid verbunden ist und von dem zumindest eine Öffnungsleitung abzweigt, die an der äußeren Oberfläche der Leitschaufel mündet.
In einem Leerlauf- und/oder Schwachleistungsbetrieb (Ventilationsbetrieb) erwärmen sich besonders die Schaufeln der letzten Schaufelreihen einer Niederdruck-Dampfturbine. In einem solchen Ventilationsbetrieb bildet sich eine Mäanderströmung aus, welche eine geringe effektive Rückströmung aufweist. Eine Einspeisung von fein zerstäubtem Wasser oder Naßdampf, allgemein Kühlfluid, über die Öffnungsleitung in die Dampfturbine hinein bewirkt stromauf des Auslasses eine Kühlung der Leit- und Laufschaufeln. Eine Verdampfung von Wassertröpfchen bewirkt somit eine effektive Kühlung, insbesondere der letzten Niederdruckschaufelreihen, welche im Ventilationsbetrieb die höchste Erwärmung erfahren. Die Dampfturbine kann dabei durch eine Umschaltung der Zuführung von Fluid in die Fluidleitung zum einen durch Beaufschlagung mit einem heißen Fluid in einem regulären Leistungsbetrieb zur Vermeidung der Kondensation des Aktionsdampfes an den mit der Fluidleitung verbundenen Leitschaufeln lokal erwärmt und zum anderen durch eine Beaufschlagung mit einem Kühlfluid, beispielsweise Wasser oder Naßdampf, in einem Ventilationsbetrieb gekühlt werden. Die Öffnungsleitung ist an der äußeren Oberfläche vorzugsweise als Loch ausgebildet, insbesondere mit einem annähernd kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt.
Durch die Öffnungsleitung, insbesondere eine Bohrung, kann über den Hohlraum ein Fluid, vorzugsweise überhitzter Dampf in den Aktionsdampfstrom eingespeist werden. Durch die Einspeisung von Dampf über eine Vielzahl feiner Öffnungsleitungen und durch eine dadurch bedingte Aufheizung der Leitschaufel wird ein Dampfpolster erzeugt, das die Agglomeration von großen Tropfen auf der Schaufeloberfläche verhindert. Die Beimischung von heißem Dampf in der Umgebung der äußeren Oberfläche der Leitschaufel verringert insbesondere den Naßdampfanteil, der beispielsweise an der letzten Niederdruck-Leitschaufelreihe einer Niederdruck-Dampfturbine ansonsten recht hoch wäre. Hierdurch wird die Gefahr von Tropfschlagerosion zumindest deutlich verringert. Die hohle Leitschaufel ist vorzugsweise in einer der letzten Leitschaufelreihen, insbesondere der drittletzten, der vorletzten oder der letzten Leitschaufelreihe, angeordnet.
Die Leitschaufeln der Dampfturbine sind vorzugsweise mit einem Außenringraum zur Führung des jeweils erforderlichen Fluides verbunden, in den die Fluidleitung mündet. Hierdurch lassen sich auf einfache Art und Weise sämtliche Leitschaufeln einer Leitschaufelreihe mit dem Fluid bespeisen. Zur Abführung von Kondensationswasser hat der Außenringraum in seinem tiefliegenden Bereich vorzugsweise eine Entwässerungsleitung. Die Fluidleitung hingegen ist vorzugsweise in einem geodätisch hochliegenden Bereich mit dem Außenringraum verbunden. Zur Konstruktionsvereinfachung und zur Erhöhung der thermomechanischen Stabilität sowie zur Führung des Kühlfluids bzw. Heizfluids sind die Leitschaufeln mit einem Innenringraum verbunden. Insbesondere bei Leitschaufeln, deren Hohlraum sich von dem Außenringraum zu den Innenringraum erstreckt, ist somit auch eine Zuführung des Fluides sowohl vom Innenringraum als auch vom Außenringraum in die einzelnen Leitschaufeln hinein möglich.
Die Dampfturbine ist vorzugsweise während eines Leistungsbetriebes mit einer Heißdampf führenden Anlagenkomponente, beispielsweise einer Hochdruck-Dampfturbine, und/oder während eines ventilationsbetriebes mit einer Wasser, insbesondere Kondensat, oder Naßdampf führenden Anlagenkomponente, beispielsweise einem Kondensator, einem Vorwärmer, einem Wärmetauscher etc. verbindbar. Entsprechende Verbindungsleitungen zwischen der Fluidleitung und den entsprechenden Anlagenkomponenten sind über entsprechende Stellglieder, Absperrventile, zu- bzw. abschaltbar. Es ist ebenfalls möglich ein zentrales Stellglied vorzusehen, welches an verschiedene Zuleitungen für Heißfluid und Kühlfluid angeschlossen und mit der Fluidleitung verbunden ist. Je nach Anforderungsfall ist über dieses Stellglied aus einer Zuleitung oder mehreren Zuleitungen ein Fluid mit einem gewünschten Druck- und Temperaturzustand der Fluidleitung zuführbar.
Die Öffnungsleitung mündet vorzugsweise an der Saugseite im Bereich der Anströmkante an der äußeren Oberfläche der Leitschaufel, wodurch sich im Ventilationsbetrieb Kühlfluid von der Anströmkante über die gesamte Oberfläche der Saugseite der Leitschaufel zur Abströmkante hin, sozusagen als Kühlfilm, ausbreitet. Im Leistungsbetrieb vermischt sich das Heißfluid mit dem Aktionsdampf ebenfalls in einem Bereich um die Oberfläche der Leitschaufel herum, wodurch wirksam die Bildung größerer Kondensattröpfchen vermieden, zumindest deutlich vermindert, wird.
Die auf ein Verfahren zur Kühlung einer Dampfturbine im Ventilationsbetrieb gerichtete Aufgabe, wird dadurch gelöst, daß in den Hohlraum einer Leitschaufel ein Kühlfluid, insbesondere Naßdampf oder Kondensat eingeleitet wird, welches durch Öffnungsleitungen, insbesondere eine Vielzahl feiner Bohrungen, an der äußeren Oberfläche der Leitschaufel ausströmt. Dies führt besonders bei den letzten Schaufelreihen einer Niederdruck-Dampfturbine zu einer effektiven Kühlung der Schaufeln. Hinsichtlich der Durchführung des Verfahrens sei auch auf die EP 0 602 040 B1 hingewiesen. Die hohle Leitschaufel ist vorzugsweise in einer der drei letzten Leitschaufelreihen angeordnet.
Weiterhin ist eine Minderung der Kondensation von Aktionsdampf an einer Leitschaufel einer Dampfturbine im Leistungsbetrieb dadurch möglich, daß in diesem Falle dem Hohlraum der Leitschaufel ein Heißfluid, insbesondere Heißdampf, zugeführt wird, welches durch Öffnungsleitungen an der äußeren Oberfläche der Leitschaufel ausströmt und sich dort sowie gegebenenfalls an der gesamten äußeren Oberfläche der Leitschaufel mit dem Aktionsdampf vermischt. Zum einen bewirkt das Heißfluid eine Aufheizung der Leitschaufel und zum anderen führt die Vermischung mit dem Aktionsdampf zu einer Aufheizung des Aktionsdampfes. Beide Wirkungen tragen zu einer deutlichen Verminderung, wenn nicht sogar zu einer vollständigen Vermeidung, der Bildung von Kondensattröpfchen an der Leitschaufel bei. Hierdurch wird die Gefahr von Tropfenschlagerosion an stromab der Leitschaufel angeordneten Laufschaufeln praktisch eliminiert.
Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele werden die Dampfturbine, das Verfahren zur Kühlung im Ventilationsbetrieb sowie das Verfahren zur Kondensationsminderung im Leistungsbetrieb näher beschrieben. Es zeigen in teilweise schematischer und nicht maßstäblicher Darstellung
FIG 1
ein Kraftwerkssystem mit Niederdruck-Dampfturbine,
FIG 2
einen Längsschnitt durch eine Niederdruck-Dampfturbine,
FIG 3
einen Querschnitt durch die letzte Leitschaufelreihe einer Niederdruck-Dampfturbine,
FIG 4
eine teilweise perspektivische Ansicht einer Leitschaufel und
FIG 5
einen Querschnitt durch eine Leitschaufel gemäß FIG 4.
FIG 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einer Wärmekraftanlage mit einer Hochdruck-Dampfturbine 17a, einer Niederdruck-Dampfturbine 1, einem Kondensator 18a und einem Kondensatbehälter 36; weitere Bestandteile der Wärmekraftanlage, beispielsweise ein Kessel oder ein Generator, sind nicht dargestellt. Die dargestellten Komponenten der Wärmekraftanlage sind untereinander durch Dampf-Verbindungsleitungen 28 bzw. Kondensatleitungen 29 verbunden. In die Kondensatleitung 29 ist eine Kondensat-Pumpe 37 eingefügt. Zwischen der Hochdruck-Dampfturbine 17a und der Niederdruck-Dampfturbine 1 befindet sich in der Dampf-Verbindungsleitung 28 ein Umschalter, der üblicherweise mit Klappen gebildet wird, mit dessen Hilfe der von der Hochdruck-Dampfturbine 17a abströmende Heißdampf durch eine weitere Dampf-Verbindungsleitung 28 zu einem Heizwärmetauscher 31 ableitbar ist. Je nach Einstellung des Umschalters 30 wird somit die Niederdruck-Dampfturbine 1 nicht mit Heißdampf beaufschlagt. Der an der Niederdruck-Dampfturbine 1 vorbeigeführte Dampf wird in dem Heizwärmetauscher 31 kondensiert und fließt als Kondensat dem Kondensatbehälter 36 zu.
Die Niederdruck-Dampfturbine 1 ist mit der Hochdruck-Dampfturbine 17a starr gekuppelt, so daß die nicht dargestellten Rotoren beider Dampfturbinen 1 und 17a synchron laufen. Wird der von der Hochdruck-Dampfturbine 17a abströmende Dampf an der Niederdruck-Dampfturbine 1 vorbeigeführt, d.h. diese rotiert im Leerlauf, so tritt in der Niederdruck-Dampfturbine 1 aufgrund des darin herrschenden statischen Druckes, der dem Druck des Dampfes in dem Kondensatbehälter 36 entspricht, Reibung auf. Zur Fluideinleitung in die Niederdruck-Dampfturbine 1 ist zwischen einem Einlaß 33, der der Beaufschlagung mit Aktionsdampf dient, und einem Auslaß 34, durch den der in der Niederdruck-Dampfturbine 1 entspannte Dampf zu dem Kondensator 36 geführt wird, eine Fluidleitung 7 angeordnet, die mit einem Hohlraum 6 einer Leitschaufel 5a (siehe FIG 2, 3) verbunden ist. In dem Kondensatbehälter 36 wird das Kondensat mittels Dampf beheizt, der durch eine Heizdampf-Leitung 32 von der Hochdruck-Dampfturbine 17a zugeführt wird. Oberhalb des Kondensatspiegels befindet sich in dem Kondensatbehälter 36 ein mit Dampf gefüllter Dampfraum 42. Diesem Dampfraum 42 wird Dampf entnommen und durch eine Dampf-Überleitung 38 der Fluidleitung 7 zugeführt. Weiterhin wird der Fluidleitung 7 durch eine Kondensat-Überleitung 39 Kondensat aus dem Kondensatbehälter 36 zugeführt. Ein Abzweig der Heizdampf-Leitung 32 ist über ein entsprechendes Ventil 27 mit der Fluidleitung 7 verbunden. Die Dampf-Überleitung 38 sowie die Kondensat-Überleitung 39 weisen jeweils ebenfalls ein Ventil 27 auf und sind mit der Fluidleitung 7 verbunden. Sämtliche Ventile 27 sind mit einer Temperaturmeßstelle 40 in der Niederdruck-Dampfturbine 1 über eine Steuerleitung 41 verbunden. Hierdurch läßt sich die Menge von eingespeistem Kondensat und Dampf aus dem Dampfraum 42 sowie Heißdampf aus der Hochdruck-Dampfturbine 17a geregelt in die Fluidleitung 7 und über die Leitschaufel 5a in die Niederdruck-Dampfturbine 1 einspeisen. Somit ist eine geregelte Kühlung der Niederdruck-Dampfturbine 1 bei Ventilationsbetrieb, ohne Arbeitsleistungsabgabe, sowie eine Zuleitung von Heißdampf in die Leitschaufel 5a zur Minderung der Kondensation von Aktionsdampf durchführbar.
Sofern kein Kondensatbehälter 36 für eine Entnahme von Dampf bzw. Kondensat zur Verfügung steht, kann Dampf beispielsweise dem Heizwärmetauscher 31 oder einem nicht dargestellten der Hochdruck-Dampfturbine 17a zugeordneten Vorwärmer entnommen werden.
FIG 2 zeigt einen Ausschnitt durch eine zweiflutige Niederdruck-Dampfturbine 1 mit einem entlang einer Hauptachse 2 gerichteten Turbinenläufer 3, der die Lauf schaufeln 24 trägt. Der Turbinenläufer 3 ist in einem Turbinenlager 22 gelagert und gegenüber dem Innengehäuse 4 der Dampfturbine 1 durch eine Läuferdichtung 23 abgedichtet. In axialer Richtung sind alternierend Leitschaufeln 5, die mit dem Innengehäuse 4 verbunden sind, und die Lauf schaufeln 24 des Läufers 3 angeordnet. Die Leitschaufeln 5, insbesondere die Leitschaufel 5a der letzten Niederdruck-Leitschaufelreihe (Leitschaufelstruktur 11) sind beispielsweise als in axialer Richtung geneigte und in Umfangsrichtung gekrümmte Hohlleitschaufeln ausgeführt. Die Leitschaufeln 5, 5a einer Leitschaufelreihe sind an einem Außenring 12 des Innengehäuses 4, welcher ebenfalls hohl ist, verschweißt sowie mit einem dem Läufer 3 benachbarten und diesen umschließenden Innenring 16 verschweißt und somit untereinander verbunden. Die Niederdruck-Dampfturbine 1 wird in axialer Richtung von Aktionsdampf 19 durchströmt, welcher durch einen Abdampfstutzen 20 vertikal gerichtet aus der Dampfturbine 1 herausgeführt wird. Die Leitschaufel 5a weist in der Umgebung ihrer Anströmkante 26 an der Saugseite, vorzugsweise im wesentlichen dem Außenringraum 12, zugewandte Öffnungsleitungen 9b sowie an der Druckseite der Öffnungsleitungen 9a (siehe FIG 4, 5) auf, durch die Fluid 8 in den Strömungsbereich des Aktionsdampfes 19 einspeisbar ist.
FIG 3 zeigt einen Querschnitt durch die Leitschaufelstruktur 11 der letzten Leitschaufelreihe der Dampfturbine 1. In einem geodätisch hochliegenden Bereich 15 des Außenringraums 12 mündet eine Fluidleitung 7, die mit einem Ventil 27 absperrbar ist. Die mit dem Außenringraum 15 verschweißten Leitschaufeln 5a erstrecken sich radial in Richtung zur Hauptachse 2 des Turbinenläufers 3. Sie sind mit einem den Turbinenläufer 3 umgebenden Innenringraum 16 verschweißt. Die Leitschaufelstruktur 11 wird aus zwei paßgenauen Hälften, die an einer Teilfuge 25 aneinandergefügt sind, hergestellt. Im geodätisch tiefstliegenden Bereich 13 des Außenringraums 12 ist eine Entwässerungsleitung 14 vorgesehen. Während des Ventilationsbetriebes ist über die Fluidleitung 7 Kondensat und/oder Naßdampf in den Außenringraum 12 einleitbar. Dieser Dampf 8 gelangt über einen Hohlraum 6 (siehe FIG 4, 5) in die Leitschaufel 5a hinein. Der Hohlraum 6 erstreckt sich vorzugsweise von dem Außenringraum 12 durch die gesamte Leitschaufel 5a entlang einer Mittellinie 21 hindurch bis zu dem Innenringraum 16. An der Saugseite und der Druckseite (siehe FIG 4, 5) sind Öffnungsleitungen 9b bzw. 9a, insbesondere Bohrungen, vorgesehen, die den Hohlraum 6 mit der äußeren Oberfläche 10 der Leitschaufel 5a verbinden. Das Fluid 8, der Naßdampf und/oder das Kondensat, strömt aus diesen Öffnungsleitungen 9a, 9b aus der Leitschaufel 5a heraus. Im Ventilationsbetrieb der Dampfturbine 1 bewirk das ausströmende Fluid 8 eine Kühlung der Leitschaufel 5a, insbesondere bildet sich ein Kühlfilm über deren äußeren Oberfläche 10 aus. Im Leistungsbetrieb der Dampfturbine 1 wird dem Hohlraum 6 Heißdampf über die Fluidleitung 7 zugeführt, welcher sich an der äußeren Oberfläche 10 mit dem Aktionsdampf 19 vermischt und insbesondere, wenn letzterer ein Sattdampf ist, zu einer deutlichen Temperaturerhöhung des Aktionsdampfes 19 führt. Zudem bewirkt der zugeführte Heißdampf eine Erwärmung der Leitschaufel 5a, so daß eine Bildung von Kondensattröpfchen, insbesondere an der Abströmkante der Leitschaufel 5a, deutlich vermindert, wenn nicht sogar vollständig vermieden wird.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß Leitschaufeln, insbesondere einer oder mehrerer der letzten drei Leitschaufelreihen einer Niederdruck-Dampfturbine, einen Hohlraum aufweisen, von dem Öffnungsleitungen an die Oberfläche der jeweiligen Leitschaufel führen. Diesem Hohlraum ist über eine Fluidleitung während eines Ventilationsbetriebes Kühlfluid, insbesondere Naßdampf oder Kondensat, und in einem Leistungsbetrieb Heißdampf zuführbar. Hierdurch wird durch einfache Mittel auf effektive Art und Weise im Ventilationsbetrieb eine Kühlung der Leitschaufel und im Leistungsbetrieb eine Erwärmung der Leitschaufel sowie eine Erwärmung des Aktionsdampfes mit Vermeidung der Kondensatbildung an der Leitschaufel erreicht.

Claims (12)

  1. Dampfturbine (1) in einer Wärmekzaftanlage mit einem entlang einer Hauptachse (2) gerichteten Turbinenläufer (3), der von einem Innengehäuse (4) umgeben ist, in welchem Innengehäuse (4) eine den Turbinenläufer (3) in Umfangsrichtung umgebende Leitschaufelstruktur (11), die Leitschaufeln (5) aufweist, angeordnet ist, wobei zumindest eine Leitschaufel (5a) einen Hohlraum (6) aufweist, der mit einer Fluidleitung (7) zur Einspeisung von Kühlfluid (8) verbunden ist und von dem zumindest eine Öffnungsleitung (9a, 9b) abzweigt, die an der äußeren Oberfläche (10) der Leitschaufel (5a) mündet und wobei die Fluidleitung (7) zudem über eine absperrbare Überleitung (38, 39) mit einem Kondensat behälter (36) verbunden ist.
  2. Dampfturbine (1) nach Anspruch 1, wobei die Leitschaufeln (5, 5a) mit einem Außenringraum (12) verbunden sind, in den die Fluidleitung (7) mündet.
  3. Dampfturbine(1) nach Anspruch 2, mit einer im geodätisch tiefstliegenden Bereich (13) des Außenringraums (12) abzweigenden Entwässerungsleitung (14).
  4. Dampfturbine(1) nach Anspruch 2 oder 3, bei der die Fluidleitung (7) in einem geodätisch hochliegendem Bereich (15) in den Außenringraum (12) mündet.
  5. Dampfturbine(1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der die Leitschaufeln (5, 5a) mit einem Innenringraum (16) verbunden sind.
  6. Dampfturbine(1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Leitschaufeln (5, 5a) der Leitschaufelstruktur (11) gebogen sind, insbesondere in axialer Richtung geneigt und in Umfangsrichtung gekrümmt sind.
  7. Dampfturbine(1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die während eines Leistungsbetriebes mit einer Heißdampf führenden Anlagenkomponente (17a) und/oder während eines Ventilationsbetriebes mit einer Wasser, insbesondere Kondensat, oder Naßdampf führenden Anlagenkomponente (18a, 18b) verbunden ist.
  8. Dampfturbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der sich der Hohlraum (6) durch die gesamte Leitschaufel (5a) hindurch entlang einer von dem Innengehäuse (4) zum Turbinenläufer (3) gerichteten Mittellinie (21) erstreckt.
  9. Dampfturbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Öffnungsleitung (9b) an der Saugseite im Bereich der Anströmkante (26) der Leitschaufel (5a) mündet.
  10. Dampfturbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Öffnungsleitung (9a, 9b) an der äußeren Oberfläche (10) der Leitschaufel als annähernd kreisförmiges oder elliptisches Loch ausgeführt ist.
  11. Verfahren zur Kühlung einer Dampfturbine (1) im Ventilationsbetrieb, insbesondere einer Niederdruck-Dampfturbine, mit einem entlang einer Hauptachse (2) gerichteten Turbinenläufer (3), der von einem Innengehäuse (4) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Ventilations betrieb über zumindest eine hohle Leitschaufel (5a) einer im Innengehäuse angeordneten den Turbinenläufer (3) in Umfangsrichtung umgebende Leitschaufelstruktur (11) ein Fluid (8), insbesondere Naßdampf oder Kondensat, ins Innengehäuse (4) eingeführt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Fluid (8) einer der in Strömungsrichtung letzten Leitschaufelstrukturen (11) zugeführt wird.
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