EP0953099B1 - Dampfturbine - Google Patents

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EP0953099B1
EP0953099B1 EP98904017A EP98904017A EP0953099B1 EP 0953099 B1 EP0953099 B1 EP 0953099B1 EP 98904017 A EP98904017 A EP 98904017A EP 98904017 A EP98904017 A EP 98904017A EP 0953099 B1 EP0953099 B1 EP 0953099B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
turbine
pressure
steam
pressure turbine
turbine section
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Revoked
Application number
EP98904017A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0953099A1 (de
Inventor
Ralf Bell
Armin Drosdziok
Mikhail Simkine
Ingo Stephan
Volker Simon
Ulrich Capelle
Jan-Erik MÜHLE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=7817277&utm_source=***_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP0953099(B1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP0953099A1 publication Critical patent/EP0953099A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0953099B1 publication Critical patent/EP0953099B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Revoked legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F01D1/00—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
    • F01D1/02—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines
    • F01D1/16—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines characterised by having both reaction stages and impulse stages

Definitions

  • the invention relates to a steam turbine with a high-pressure partial turbine and one fluidically connected to the latter Intermediate-pressure turbine.
  • Known steam turbines are used in action turbines (too Constant pressure turbines) and reaction turbines (also Called overpressure turbines). They have a turbine shaft with blades arranged on it and an inner housing with blades arranged between axially spaced barrels Guide vanes on.
  • the isentropic reaction degree r for a thermal Fluid machine the percentage distribution of the isentropic Enthalpy gradient in the blades to the entire isentropic Enthalpy gradient over a step consisting of vane ring and designated blade ring.
  • the classic overpressure level as well as the Equal pressure level applied. The latter usually with a slightly different degree of reaction r.
  • a constant pressure turbine is usually in Chamber construction and a pressure turbine in drum construction executed.
  • a chamber turbine has a housing, which through axially spaced shelves is divided into several chambers. In each of these chambers runs a disc-shaped impeller, on the outer circumference Blades are attached while the vanes are in the shelves are inserted.
  • An advantage of the chamber design is that the shelves at their inner edge quite effective using labyrinth seals against the turbine shaft can be sealed. Because the gasket knife is small, the gap cross sections and thus the Gap leakage currents small.
  • This type is known Turbines only with small degrees of reaction, i.e. large gradients and therefore uses a small number of stages. The pressure difference is on both sides of an impeller disc small degree of reaction low, in the limit case even zero. On Axial thrust exerted on the rotor remains low and can be taken up by a thrust bearing.
  • the blades are immediate in a drum turbine arranged on the circumference of a drum-shaped turbine shaft.
  • the Guide vanes are either directly in the housing of the steam turbine or used in a special guide vane carrier.
  • DE-AS 20 54 465 is a steam turbine in drum design described.
  • a pot-shaped outer housing one is the Turbine shaft carrying blades and a turbine shaft surrounding inner housing arranged.
  • the inner case carries the guide vanes. Via appropriate storage and centering points is the inner housing with the outer housing Recording an axial thrust connected.
  • the US-PS 1,092,947 relates to a multi-stage steam turbine with a high pressure, a medium pressure and a low pressure part.
  • the individual sub-turbines are in one arranged in a single housing.
  • the high pressure part which is made of a single stage, has a fixed guide vane on that between two on a common wheel disc arranged rows of blades is arranged. at the design of the high pressure part is therefore neither a chamber construction, nor a drum construction.
  • the medium pressure part is in chamber construction and the low pressure part executed in drum construction.
  • the low-pressure part is carried out in two channels.
  • a steam turbine with a high-pressure and a medium pressure part specified.
  • the high pressure part is in drum construction and the medium pressure part in chamber construction executed.
  • the two sub-turbines can both on a single wave as well as each on a separate Shaft be arranged and are each in its own housing arranged and fluidly connected to each other.
  • the high pressure part has an overpressure blading or a constant pressure blading.
  • DE-PS 448 247 is a combined drum and disc wheel turbine described for steam at which the last stage the turbine with disc wheels (chamber design) is.
  • the entire steam turbine including the drum type as well as the part made in chamber construction housed in a single turbine housing.
  • the object of the invention is to provide a steam turbine with a good To indicate efficiency.
  • the task is performed using a steam turbine a high pressure part turbine and one with the latter in terms of flow technology connected medium pressure partial turbine released, in which the high-pressure partial turbine in chamber design and the Medium pressure partial turbine is designed in a drum design.
  • the high-pressure and the medium-pressure turbine can both be single and double flow and in separate Outer housing as well as in a special common outer housing (Compact turbine) can be arranged.
  • An outer case the high pressure sub-turbine in a separate arrangement is preferred Pot-shaped, such as in the DE-AS 20 54 465 is described.
  • the outer case can too be carried out axially divided.
  • a version with separate Housing occurs, among other things, due to a low Step reaction (degree of reaction) and the chamber design of the High pressure sub-turbine has a small axial thrust. On Thrust compensation piston can therefore be omitted, so that leakage losses by emerging from the thrust compensating piston Steam can be avoided. This leads to an increase in Efficiency.
  • the medium-pressure sub-turbine is double-flow, so that a thrust compensation piston is also omitted here can.
  • a component becomes under a thrust compensation piston understood that due to its geometric shape when applied countering a resulting force with steam one of the turbine blades in a steam flow caused axial thrust.
  • An axial one caused by the medium-pressure turbine Thrust can be compensated by a thrust compensation piston. This is arranged so that the high-pressure blading in Axial direction of the turbine shaft seen between the thrust compensation piston and the medium pressure blading arranged is.
  • the High-pressure partial turbine in drum design and the medium-pressure partial turbine executed in chamber design the high-pressure turbine is executed in two flows. Both sub-turbines can in turn in a common outer housing as well be arranged in a separate outer housing. Also the medium-pressure turbine section can be double-flow.
  • Compact turbine passes through the medium pressure turbine, especially due to the low step response (Degree of reaction) and the chamber design, at most a small one axial thrust.
  • a thrust compensating piston for the medium pressure turbine can therefore be omitted.
  • To accommodate a axial thrust that can be caused by the high-pressure turbine section is a between the high pressure blading and the medium pressure blading arranged area of the turbine shaft (Intermediate floor) provided, which both for the medium pressure blading as well as the high pressure blading ring-shaped depression with corresponding radial end faces having. Since, for constructional reasons, a Compact turbine offers such an intermediate floor is through the omission of an additional medium-pressure thrust compensating piston the efficiency of the medium pressure turbine and thus of the entire steam turbine increased.
  • the medium-pressure turbine is preferably carried out in two passages, whereby an axial thrust of the medium pressure turbine is avoided is.
  • a thrust compensation piston is preferably provided for absorbing an axial thrust of the high pressure turbine. Leakage losses that may be specified in this are dependent on Area of application thanks to the good efficiency of the excess pressure blading the high-pressure partial turbine designed in a drum design balanced.
  • the weak reaction stages lead for both embodiments of the invention (Stages with low degree of reaction in chamber construction) to a rapid reduction in pressure and accordingly rapid increase in specific volume and thus the flow cross-sections and blade heights.
  • Stages with low degree of reaction in chamber construction to a rapid reduction in pressure and accordingly rapid increase in specific volume and thus the flow cross-sections and blade heights.
  • those in the flow direction subsequent turbine stages each comprising a guide vane structure and a downstream one in the flow direction Blade arrangement, compared to an overpressure stage lower secondary losses and lower Leakage losses through sealing gaps between the Blades and a turbine wall and the guide vanes and the turbine shaft are formed.
  • the steam turbine in particular live steam condition (Temperature, pressure) of the steam supplied to the steam turbine as well as the requirements for mass flow and one to be achieved thermal and electrical power, cause weak reaction levels in chamber design a higher efficiency as overpressure stages in drum design or vice versa.
  • the medium pressure turbine is also a low pressure turbine resettable.
  • a steam turbine according to the invention is particularly suitable for use in a coal-fired Steam power plant. With the steam turbine are electrical Outputs of approx. 50 MW to over 1500 MW can be achieved.
  • the Live steam condition can be between 50 bar and 300 bar with a temperature of up to 630 ° C. Taking the temperature for further developments in the materials sector, in particular regarding turbine shaft and turbine housing, are also higher can.
  • FIG. 1 shows a steam turbine 1 with a single outer housing 4.
  • the outer casing 4 Through the outer casing 4 is one along a turbine axis 15 directed turbine shaft 6 out.
  • This turbine shaft 6 is on the bushings not shown with respective shaft seals 9 with respect to the outer housing 4 sealed.
  • Inside the housing 4 is a High-pressure turbine section 2 arranged in a drum design. she includes high pressure blading with the turbine shaft 6 connected blades 11 and with a high pressure inner housing 14 connected schematically illustrated guide vanes 12.
  • Inside the inner housing 14 is still one Medium-pressure turbine section 3 in chamber design with blades 11 and guide vanes 12, which are schematic for the sake of clarity are shown arranged.
  • the turbine shaft 6 has a shaft coupling 10 for coupling at one end a generator or not shown Low-pressure turbine.
  • Axial between the high pressure blading and the medium pressure blading is a area 13 (intermediate floor) of the thrust compensation Turbine shaft 6 formed, which is opposite the inner housing 14 sealed by a corresponding shaft seal 9 is.
  • the Turbine shaft 6 has a respective recess 13a through which End faces are formed on the intermediate floor 13.
  • One of these Recesses 13a is with an inflow region 7b Medium pressure turbine part 3 and the other recess 13a with a steam inlet 7a of the high pressure turbine section 2 connected.
  • a live steam flowing into the steam inlet 7a for example a pressure of about 170 bar and a temperature of 560 ° C flows through the blades in the axial direction the high-pressure turbine section 2 through and at a lower Pressure from a steam outlet 8a of the high pressure part turbine 2 out. From there, the now partially relaxed comes Steam in a reheat, not shown, and will of the steam turbine 1 via the steam inlet 7b of the medium-pressure sub-turbine 3 fed again.
  • the drum construction High-pressure turbine section 2 with overpressure blading leads to an axial thrust in the direction of the steam outlet 8a. This is via the intermediate floor 13a and end faces formed by the depressions 13a, because the pressure drop across the high pressure blading, i.e.
  • the medium pressure turbine 3 is in a chamber construction with an essentially Equidistant blading carried out.
  • the reheated flowing into the steam inlet 7b and through the medium-pressure turbine 3 axially flowing steam leaves the steam turbine 1 through a steam outlet 8b Medium-pressure turbine section 3.
  • the medium-pressure turbine section 3 there is only a slight axial thrust.
  • Another Thrust compensating pistons can therefore be omitted.
  • FIG. 2 shows a steam turbine 1 in a longitudinal section a housing 4 in which a high-pressure turbine section 2 in chamber design and a medium-pressure sub-turbine 3 in the drum design is arranged.
  • an intermediate floor analogous to Figure 1 13 arranged. Since compared to the embodiment Figure 1, the high-pressure turbine section 2 a significantly lower Generated axial thrust, the intermediate floor 13 has a smaller one Diameter and a small depression on the medium pressure side 13a.
  • a thrust compensation piston 5 is provided, which via a Pressure line 16 with the steam outlet 8b of the medium-pressure turbine 3 is connected.
  • This thrust compensation piston 5 is arranged on the steam outlet side to the high-pressure turbine section 2, so that this axially between the thrust compensating piston 5 and the Intermediate floor 13, i.e. the medium-pressure turbine 3 arranged is.
  • the steam turbine 1 can be analogous to the embodiment 1 downstream of a low-pressure turbine his.
  • 3 and 4 each show a steam turbine 1 a high-pressure turbine section 2 with an outer casing 4a and a medium-pressure turbine section 3 axially spaced therefrom with an outer housing 4b.
  • the medium pressure turbine part 3 is executed in two passages.
  • One passed through the outer case 4a Turbine shaft 6a of the high-pressure sub-turbine 2 is via a shaft coupling 10 with one through the outer housing 4b of the medium-pressure turbine 3 guided turbine shaft 6b coupled.
  • 3 shows the high-pressure turbine section 2 in chamber design and the medium pressure turbine part 3 in drum design executed. Occurs in the high-pressure turbine section 2 therefore at most a small axial thrust, so that from a thrust compensation piston 5 can be disregarded.
  • the high-pressure turbine part is of the drum type and the medium pressure partial turbine in chamber design executed.
  • this is also part of the housing connected to the steam outlet 8a so that the pressure difference between steam inlet 7a and steam outlet 8a substantially the pressure drop in the axial direction via the thrust compensation piston 5 corresponds.
  • the invention is characterized by a steam turbine with a Medium pressure turbine and a high pressure turbine, the high-pressure sub-turbine in drum design and the Medium pressure partial turbine in chamber design or vice versa is.
  • the turbine parts can be in one housing (Compact turbine) or arranged in two separate housings his.
  • steam pressure, steam temperature, Steam mass flow and thermal or electrical power the steam turbine is a combination with particularly good ones Efficiency by taking advantage of both the chamber design as well as the drum design.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Description

Die Erfindung betrifft eine Dampfturbine mit einer Hochdruck-Teilturbine und einer mit letzterer strömungstechnisch verbundenen Mitteldruck-Teilturbine.
Bekannte Dampfturbinen werden in Aktionsturbinen (auch Gleichdruckturbinen genannt) sowie Reaktionsturbinen (auch Überdruckturbinen genannt) eingeteilt. Sie weisen eine Turbinenwelle mit darauf angeordneten Laufschaufeln sowie ein Innengehäuse mit zwischen axial beabstandeten Lauf schaufeln angeordneten Leitschaufeln auf.
Bei einer Gleichdruckturbine wird in den von den Leitschaufeln verengten Kanälen das gesamte Energiegefälle im wesentlichen in kinetische Strömungsenergie umgewandelt. Dabei steigt die Geschwindigkeit und der Druck fällt ab. In den Lauf schaufeln bleiben Druck- und Relativgeschwindigkeit weitgehend konstant, was durch Kanäle mit gleichbleibender Lichtweite erreicht wird. Da sich die Richtung der Relativgeschwindigkeit ändert, entstehen Aktionskräfte, die die Laufschaufeln antreiben und somit eine Rotation der Turbinenwelle hervorrufen. Der Betrag der Absolutgeschwindigkeit verringert sich beim Umströmen der Laufschaufeln erheblich, wodurch die Strömung einen Großteil ihrer kinetischen Energie an die Lauf schaufeln und somit an die Turbinenwelle abgibt.
Bei einer Überdruckturbine wird bei Durchströmen der Leitschaufeln nur ein Teil des Energiegefälles in kinetische Energie umgesetzt. Der Rest bewirkt eine Erhöhung der Relativgeschwindigkeit innerhalb der zwischen den Laufschaufeln gebildeten Laufschaufelkanälen. Während in der Gleichdruckturbine die Schaufelkräfte fast ausschließlich Aktionskräfte sind, kommt bei einer Überdruckturbine ein mehr oder minder großer Anteil aus der Änderung des Geschwindigkeitsbetrages hinzu. Aus dem Druckunterschied zwischen der stromab und der stromauf liegenden Seite der Laufschaufel ist der Begriff Überdruckturbine abgeleitet. In einer Überdruckturbine findet mithin eine Änderung des Geschwindigkeitsbetrages bei verändertem Druck statt.
Als Isentroper-Reaktionsgrad r wird bei einer thermischen Strömungsmaschine die prozentuale Aufteilung des isentropen Enthalpiegefälles in den Laufschaufeln zu dem gesamten isentropen Enthalpiegefälle über eine Stufe bestehend aus Leitschaufelkranz und Laufschaufelkranz bezeichnet. Als reine Gleichdruckstufe wird eine solche Stufe bezeichnet, in der der Reaktionsgrad r = 0 beträgt und das größte Enthalpiegefälle entsteht. Bei einer klassischen Überdruckstufe beträgt der Reaktionsgrad r = 0,5, so daß das Enthalpiegefälle in den Leitschaufeln genauso groß ist wie in den Lauf schaufeln. Unter starker Reaktion wird beispielsweise ein Reaktionsgrad von r = 0,75 bezeichnet. In der Praxis des Dampfturbinenbaus werden überwiegend die klassische Überdruckstufe sowie die Gleichdruckstufe angewendet. Letztere aber in der Regel mit einem etwas von Null verschiedenen Reaktionsgrad r.
Weiterhin werden die Begriffe Kammerturbine und Trommelturbine verwendet. Üblicherweise ist eine Gleichdruckturbine in Kammerbauweise und eine Überdruckturbine in Trommelbauweise ausgeführt. Eine Kammerturbine weist ein Gehäuse auf, welches durch axial voneinander beabstandet angeordnete Zwischenböden in mehrere Kammern eingeteilt ist. In jeder dieser Kammern läuft ein scheibenförmiges Laufrad, an dessen Außenumfang die Laufschaufeln angebracht sind, während die Leitschaufeln in die Zwischenböden eingesetzt sind. Ein Vorteil der Kammerbauart liegt darin, daß die Zwischenböden an ihrem Innenrand recht wirkungsvoll mittels Labyrinthdichtungen gegen die Turbinenwelle abgedichtet werden können. Da der Dichtungsmesser klein ist, werden auch die Spaltquerschnitte und damit die Spaltverlustströme klein. Diese Bauart wird bei bekannten Turbinen nur bei kleinen Reaktionsgraden, also großem Stufengefälle und damit geringer Stufenzahl verwendet. Der Druckunterschied auf beiden Seiten einer Laufradscheibe ist bei kleinem Reaktionsgrad gering, im Grenzfall sogar Null. Ein auf den Läufer ausgeübter Axialschub bleibt gering und kann durch ein Axiallager aufgenommen werden.
Bei einer Trommelturbine sind die Laufschaufeln unmittelbar am Umfang einer trommelförmigen Turbinenwelle angeordnet. Die Leitschaufeln sind entweder direkt in das Gehäuse der Dampfturbine oder in einen besonderen Leitschaufelträger eingesetzt. Die Lauf- bzw. Leitschaufeln können auch mit Deckbändern versehen werden, an denen Labyrinthdichtungen angebracht sind, so daß eine Abdichtung eines Dichtspaltes zwischen den Leit- bzw. Laufschaufeln und der Turbinenwelle bzw. dem Innengehäuse erfolgt. Da diese Dichtspalte zumindest bei den Laufschaufeln auf großen Radien sitzen, sind die Spaltverlustströme in jedem Fall erheblich größer als bei Kammerturbinen. Wegen des höheren Reaktionsgrades, etwa r = 0,5, ergeben sich günstige Strömungswege in den Schaufelkanälen und somit gute Wirkungsgrade. Die axiale Baulänge und der Aufwand für eine einzelne Stufe sind geringer als bei einer Kammerturbine, die Stufenzahl muß allerdings größer sein, weil die Reaktionsstufen ein kleineres Gefälle verarbeiten. Der in der Beschaufelung auftretende Axialschub ist beträchtlich. Eine Möglichkeit, diesem Axialschub entgegenzuwirken, besteht darin, einen Ausgleichskolben vorzusehen, auf dessen Vorderseite über eine Verbindungsleitung der Druck des Austrittsstutzens gegeben wird.
In der DE-AS 20 54 465 ist eine Dampfturbine in Trommelbauart beschrieben. In ein topfförmiges Außengehäuse ist eine die Laufschaufeln tragende Turbinenwelle sowie ein die Turbinenwelle umgebendes Innengehäuse angeordnet. Das Innengehäuse trägt die Leitschaufeln. Über entsprechende Lager- und Zentrierstellen ist das Innengehäuse mit dem Außengehäuse zur Aufnahme eines Axialschubes verbunden.
Die US-PS 1,092,947 betrifft eine mehrstufige Dampfturbine mit einem Hochdruck-, einem Mitteldruck- und einem Niederdruckteil. Die einzelnen Teilturbinen sind hierbei in einem einzigen Gehäuse angeordnet. Der Hochdruckteil, welcher aus einer einzigen Stufe besteht, weist eine feststehende Leitschaufel auf, die zwischen zwei auf einer gemeinsamen Radscheibe angeordneten Laufschaufelreihen angeordnet ist. Bei der Ausgestaltung des Hochdruckteils handelt es sich mithin weder um eine Kammerbauweise, noch um eine Trommelbauweise. Der Mitteldruckteil ist in Kammerbauweise und der Niederdruckteil in Trommelbauweise ausgeführt. In einer zweiten Ausführungsform ist der Niederdruckteil zweiflutig ausgeführt.
In der US-PS 1,750,814 ist eine Dampfturbine mit einem Hochdruck- und einem Mitteldruckteil angegeben. Der Hochdruckteil ist in Trommelbauweise und der Mitteldruckteil in Kammerbauweise ausgeführt. Die beiden Teilturbinen können sowohl auf einer einzigen Welle als auch jeweils auf einer separaten Welle angeordnet sein und sind jeweils in einem eigenen Gehäuse angeordnet und strömungstechnisch miteinander verbunden. Der Hochdruckteil weist eine Überdruckbeschaufelung oder eine Gleichdruckbeschaufelung auf.
In der DE-PS 448 247 ist eine vereinigte Trommel- und Scheibenradturbine für Dampf beschrieben, bei der die letzte Stufe der Turbine mit Scheibenrädern (Kammerbauweise) ausgeführt ist. Die gesamte Dampfturbine einschließlich des in Trommelbauweise sowie des in Kammerbauweise ausgeführten Teils ist in einem einzigen Turbinengehäuse untergebracht.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Dampfturbine mit einem guten Wirkungsgrad anzugeben.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Dampfturbine mit einer Hochdruck-Teilturbine und einer mit letzterer strömungstechnisch verbundenen Mitteldruck-Teilturbine gelöst, bei der die Hochdruck-Teilturbine in Kammerbauweise und die Mitteldruck-Teilturbine in Trommelbauweise ausgeführt ist.
Durch eine solche Dampfturbine in sozusagen Mischbauart ergibt sich ein zusätzlicher Gestaltungsfreiheitsgrad zur Steigerung des gesamten Wirkungsgrades. Bei einem entsprechenden Dampfzustand des der Dampfturbine zugeführten Frischdampfes können gezielt die Vorzüge der Kammerbauweise sowie der Trommelbauweise ausgenutzt werden.
Die Hochdruck- und die Mitteldruck-Teilturbine können sowohl ein- als auch zweiflutig ausgeführt sein und in getrennten Außengehäusen sowie auch in einem speziellen gemeinsamen Außengehäuse (Kompaktturbine) angeordnet sein. Ein Außengehäuse der Hochdruck-Teilturbine bei getrennter Anordnung ist vorzugsweise topfförmig ausgeführt, wie es beispielsweise in der DE-AS 20 54 465 beschrieben ist. Das Außengehäuse kann auch axial geteilt ausgeführt sein. Bei einer Ausführung mit getrennten Gehäusen tritt unter anderem aufgrund einer niedrigen Stufenreaktion (Reaktionsgrad) und der Kammerbauweise der Hochdruck-Teilturbine ein geringer axialer Schub auf. Ein Schubausgleichskolben kann daher entfallen, so daß auch Leckverluste durch aus dem Schubausgleichkolben austretendem Dampf vermieden werden. Dies führt zu einer Steigerung des Wirkungsgrades.
Vorzugsweise ist in einer Ausführungsform mit getrennten Außengehäusen die Mitteldruck-Teilturbine zweiflutig ausgeführt, so daß auch hierin ein Schubausgleichkolben entfallen kann. Unter einem Schubausgleichkolben wird hierbei ein Bauteil verstanden, das durch seine geometrische Form bei Beaufschlagung mit Dampf eine resultierende Kraft entgegengerichtet eines von den Turbienenschaufeln bei einer Dampfströmung hervorgerufenen axialen Schubes bedingt.
Bei einer Ausführung der Dampfturbine mit einem Außengehäuse in dem sowohl die Hochdruck-Teilturbine als auch die Mitteldruck-Teilturbine untergebracht sind (Kompaktturbine), tritt in der Hochdruck-Teilturbine insbesondere aufgrund einer niedrigen Stufenreaktion und der Kammerbauweise allenfalls ein geringer axialer Schub auf. Hierdurch kann der Durchmesser des zwischen der Hochdruck-Beschaufelung und der Mitteldruck-Beschaufelung angeordneten als Schubausgleichskolben ausgebildeten Turbinen-Wellenbereichs (Zwischenboden) gering ausgeführt sein, insbesondere kann er geringer sein als der Durchmesser der Turbinenwelle im Bereich der Trommelbauweise der Mitteldruck-Teilturbine. Dies ermöglicht zudem eine Reduktion der Leckverluste im Bereich der Abdichtung zwischen Mitteldruck-Teilturbine und Hochdruck-Teilturbine (kleinere Kreisringfläche der Dichtspalte), was zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades der Dampfturbine führt.
Ein durch die Mitteldruck-Teilturbine hervorgerufener axialer Schub ist durch einen Schubausgleichkolben ausgleichbar. Dieser ist so angeordnet, daß die Hochdruck-Beschaufelung in Achsrichtung der Turbinenwelle gesehen zwischen dem Schubausgleichkolben und der Mitteldruck-Beschaufelung angeordnet ist.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist die Hochdruck-Teilturbine in Trommelbauweise und die Mitteldruck-Teilturbine in Kammerbauweise ausgeführt, wobei die Hochdruckteilturbine zweiflutig ausgeführt ist. Beide Teilturbinen können wiederum in einem gemeinsamen Außengehäuse sowie in einem jeweils separaten Außengehäuse angeordnet sein. Auch die Mitteldruckteilturbine kann zweiflutig ausgeführt sein.
Bei einer Ausführungsform mit einem Außengehäuse (Kompaktturbine) tritt durch die Mitteldruck-Teilturbine, insbesondere aufgrund der niedrigen Stufenreaktion (Reaktionsgrad) und der Kammerbauart allenfalls ein geringer axialer Schub aus. Ein Schubausgleichskolben für die Mitteldruck-Teilturbine kann mithin entfallen. Zur Aufnahme eines durch die Hochdruck-Teilturbine hervorrufbaren axialen Schubes ist ein zwischen der Hochdruck-Beschaufelung und der Mitteldruck-Beschaufelung angeordneter Bereich der Turbinenwelle (Zwischenboden) vorgesehen, welcher sowohl zu der Mitteldruck-Beschaufelung als auch der Hochdruck-Beschaufelung eine ringförmige Vertiefung mit entsprechenden radialen Stirnseiten aufweist. Da sich aus konstruktiven Gründen bei einer Kompaktturbine ein solcher Zwischenboden anbietet, ist durch den Wegfall eines zusätzlichen Mitteldruck-Schubausgleichkolbens der Wirkungsgrad der Mitteldruck-Teilturbine und damit der gesamten Dampfturbine gesteigert.
Bei einer getrennten Ausführung der Dampfturbine ist die Mitteldruck-Teilturbine vorzugsweise zweiflutig ausgeführt, wodurch ein axialer Schub der Mitteldruck-Teilturbine vermieden ist. Zur Aufnahme eines axialen Schubes der Hochdruck-Teilturbine ist vorzugsweise ein Schubausgleichkolben vorgesehen. Darin gegebenenfalls vorgerufene Leckverluste werden je nach Einsatzbereich durch einen guten Wirkungsgrad der Überdruckbeschaufelung der in Trommelbauweise ausgeführten Hochdruck-Teilturbine ausgeglichen.
Für beide Ausführungsformen der Erfindung führen die Schwachreaktionsstufen (Stufen mit geringem Reaktionsgrad bei Kammerbauweise) zu einem raschen Druckabbau und zu einer entsprechend raschen Zunahme des spezifischen Volumens und damit der Strömungsquerschnitte und Schaufelhöhen. Für die in Strömungsrichtung nachfolgenden Turbinenstufen, umfassend jeweils eine Leitschaufelstruktur und eine in Strömungsrichtung nachgeordnete Laufschaufelanordnung, ergeben sich im Vergleich zu einer Überdruckstufe geringere Sekundärverluste und geringere Leckverluste durch Dichtspalte hindurch, die zwischen den Laufschaufeln und einer Turbinenwandung sowie den Leitschaufeln und der Turbinenwelle gebildet sind. Je nach Einsatzbereich der Dampfturbine, insbesondere Frischdampfzustand (Temperatur, Druck) des der Dampfturbine zugeführten Dampfes sowie den Anforderungen an Massenstrom und einer zu erzielenden thermischen wie elektrischen Leistung, bewirken Schwachreaktionsstufen in Kammerbauart einen höheren Wirkungsgrad als Überdruckstufen in Trommelbauart oder umgekehrt. Je nach vorgesehenem Einsatzbereich bietet sich mithin eine der beiden Alternativen der Erfindung mit ihren jeweils strömungstechnisch angepaßten Ausführungsformen an. Selbstverständlich ist der Mitteldruck-Teilturbine auch noch eine Niederdruck-Teilturbine nachschaltbar. Eine Dampfturbine gemäß der Erfindung eignet sich besonders für den Einsatz in einem kohlebefeuerten Dampfkraftwerk. Mit der Dampfturbine sind elektrische Leistungen von ca. 50 MW bis über 1500 MW erzielbar. Der Frischdampfzustand kann zwischen 50 bar und 300 bar betragen mit einer Temperatur von bis zu 630 °C. Wobei die Temperatur bei Weiterentwicklungen auf dem Materialsektor, insbesondere betreffend Turbinenwelle und Turbinengehäuse, auch höher liegen kann.
Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert. In den Figuren haben jeweils gleich Bezugszeichen die gleiche Bedeutung. Es zeigen in schematischer Darstellung
FIG 1 und 2
in einem Längsschnitt eine eingehäusige Dampfturbine und
FIG 3 und 4
in einem Längsschnitt eine Dampfturbine mit Hochdruck-Teilturbine und Mitteldruck-Teilturbine in separaten Außengehäusen.
Figur 1 zeigt eine Dampfturbine 1 mit einem einzigen Außengehäuse 4. Durch das Außengehäuse 4 ist eine entlang einer Turbinenachse 15 gerichtete Turbinenwelle 6 geführt. Diese Turbinenwelle 6 ist an den nicht näher dargestellten Durchführungen mit jeweiligen Wellendichtungen 9 gegenüber dem Außengehäuse 4 abgedichtet. Innerhalb des Gehäuses 4 ist eine Hochdruck-Teilturbine 2 in Trommelbauweise angeordnet. Sie umfaßt eine Hochdruck-Beschaufelung mit mit der Turbinenwelle 6 verbundenen Laufschaufeln 11 und mit einem Hochdruck-Innengehäuse 14 verbundenen schematisch dargestellten Leitschaufeln 12. Innerhalb des Innengehäuses 14 ist weiterhin eine Mitteldruck-Teilturbine 3 in Kammerbauweise mit Laufschaufeln 11 und Leitschaufeln 12, die der Anschaulichkeit halber schematisch dargestellt sind, angeordnet. Die Turbinenwelle 6 weist an einem Ende eine Wellenkupplung 10 zur Ankupplung an einen nicht dargestellten Generator oder eine nicht dargestellte Niederdruck-Teilturbine auf. Axial zwischen der Hochdruck-Beschaufelung und der Mitteldruck-Beschaufelung ist ein dem Schubausgleich dienender Bereich 13 (Zwischenboden) der Turbinenwelle 6 ausgebildet, welcher gegenüber dem Innengehäuse 14 durch eine entsprechende Wellendichtung 9 abgedichtet ist. Zwischen dem Zwischenboden 13 und der Hochdruck-Teilturbine 2 sowie der Mitteldruck-Teilturbine 3 weist die Turbinenwelle 6 eine jeweilige Vertiefung 13a auf, durch die Stirnflächen an dem Zwischenboden 13 gebildet sind. Eine dieser Vertiefungen 13a ist mit einem Einströmbereich 7b der Mitteldruck-Teilturbine 3 und die andere Vertiefung 13a mit einem Dampfeinlaß 7a der Hochdruck-Teilturbine 2 verbunden. Ein in den Dampfeinlaß 7a einströmender Frischdampf mit beispielsweise einem Druck von etwa 170 bar und einer Temperatur von 560 °C strömt in axialer Richtung durch die Beschaufelung der Hochdruck-Teilturbine 2 hindurch und bei einem niedrigerem Druck aus einem Dampfauslaß 8a der Hochdruck-Teilturbine 2 aus. Von dort gelangt der nunmehr teilweise entspannte Dampf in eine nicht dargestellte Zwischenüberhitzung und wird der Dampfturbine 1 über den Dampfeinlaß 7b der Mitteldruck-Teilturbine 3 wieder zugeführt. Die in Trommelbauweise ausgeführte Hochdruck-Teilturbine 2 mit einer Überdruckbeschaufelung führt zu einem axialen Schub in Richtung des Dampfauslasses 8a. Dieser wird über den Zwischenboden 13a und die durch die Vertiefungen 13a gebildeten Stirnflächen ausgeglichen, da das Druckgefälle über die Hochdruck-Beschaufelung, d.h. von Dampfeinlaß 7a zum Dampfauslaß 8a, größenordnungsmäßig dem Druckunterschied über dem Zwischenboden 13 zwischen Dampfeinlaß 7a und Dampfeinlaß 7b entspricht. Die Mitteldruck-Teilturbine 3 ist in Kammerbauweise mit einer im wesentlichen Gleichdruck-Beschaufelung ausgeführt. Der zwischenüberhitzte in den Dampfeinlaß 7b einströmende und durch die Mitteldruck-Teilturbine 3 axial hindurchströmende Dampf verläßt die Dampfturbine 1 durch einen Dampfauslaß 8b der Mitteldruck-Teilturbine 3. In der Mitteldruck-Teilturbine 3 entsteht allenfalls ein geringer axialer Schub. Ein weiterer Schubausgleichkolben kann mithin entfallen.
Figur 2 zeigt in einem Längsschnitt eine Dampfturbine 1 mit einem Gehäuse 4 in dem eine Hochdruck-Teilturbine 2 in Kammerbauweise und eine Mitteldruck-Teilturbine 3 in Trommelbauweise angeordnet ist. Zwischen Hochdruck-Teilturbine 2 und Mitteldruck-Teilturbine 3 ist analog zu Figur 1 ein Zwischenboden 13 angeordnet. Da gegenüber der Ausführungsform nach Figur 1 die Hochdruck-Teilturbine 2 einen deutlich geringeren axialen Schub erzeugt weist der Zwischenboden 13 einen kleineren Durchmesser sowie einen geringe mitteldruckseitige Vertiefung 13a auf. Zur Aufnahme eines axialen Schubes der in Trommelbauweise ausgeführten Mitteldruck-Teilturbine 3 ist ein Schubausgleichkolben 5 vorgesehen, welcher über eine Druckleitung 16 mit dem Dampfauslaß 8b der Mitteldruck-Teilturbine 3 verbunden ist. Dieser Schubausgleichkolben 5 ist dampfauslaßseitig zur Hochdruck-Teilturbine 2 angeordnet, so daß diese axial zwischen dem Schubausgleichkolben 5 und dem Zwischenboden 13, d.h. der Mitteldruck-Teilturbine 3 angeordnet ist. Der Dampfturbine 1 kann analog zu der Ausführungsform gemäß Figur 1 eine Niederdruck-Teilturbine nachgeschaltet sein.
Figur 3 und Figur 4 zeigen jeweils eine Dampfturbine 1 mit einer Hochdruck-Teilturbine 2 mit einem Außengehäuse 4a und einer hiervon axial beabstandeten Mitteldruck-Teilturbine 3 mit einem Außengehäuse 4b. Die Mitteldruck-Teilturbine 3 ist zweiflutig ausgeführt. Eine durch das Außengehäuse 4a hindurchgeführte Turbinenwelle 6a der Hochdruck-Teilturbine 2 ist über eine Wellenkupplung 10 mit einer durch das Außengehäuse 4b der Mitteldruck-Teilturbine 3 geführten Turbinenwelle 6b gekuppelt. An der Turbinenwelle 6b ist eine weitere Wellenkupplung 10 zur Ankupplung an einen nicht dargestellten Generator oder eine nicht dargestellte Niederdruck-Teilturbine angeordnet. In Figur 3 ist die Hochdruck-Teilturbine 2 in Kammerbauweise und die Mitteldruck-Teilturbine 3 in Trommelbauweise ausgeführt. In der Hochdruck-Teilturbine 2 tritt mithin allenfalls ein geringer axialer Schub auf, so daß von einem Schubausgleichkolben 5 abgesehen werden kann.
In Figur 4 hingegen ist die Hochdruck-Teilturbine in Trommelbauweise und die Mitteldruck-Teilturbine in Kammerbauweise ausgeführt. Axial zwischen Dampfeinlaß 7a und Gehäuse 4a ist ein als Schubausgleichkolben 5 ausgebildeter Zwischenboden angeordnet. Dieser ist gehäuseseitig strömungstechnisch mit dem Dampfauslaß 8a verbunden, so daß der Druckunterschied zwischen Dampfeinlaß 7a und Dampfauslaß 8a im wesentlichen dem Druckabfall in axialer Richtung über den Schubausgleichkolben 5 entspricht. Hinsichtlich der konstruktiven und funkionellen Merkmale der Hochdruck-Teilturbine 2 sowie der Mitteldruck-Teilturbine 3 sei auf die Beschreibung zu den Figuren 1 und 2 verwiesen. Gleiche Bezugszeichen haben hierin die gleiche Bedeutung wie in den Figuren 3 und 4.
Die Erfindung zeichnet sich durch eine Dampfturbine mit einer Mitteldruck-Teilturbine und einer Hochdruck-Teilturbine aus, wobei die Hochdruck-Teilturbine in Trommelbauweise und die Mitteldruck-Teilturbine in Kammerbauweise oder umgekehrt ausgeführt ist. Die Teilturbinen können sowohl in einem Gehäuse (Kompaktturbine) oder in zwei getrennten Gehäusen angeordnet sein. Je nach Einsatzbereich (Dampfdruck, Dampftemperatur, Dampfmassenstrom sowie thermischer bzw. elektrischer Leistung der Dampfturbine) ist eine Kombination mit besonders gutem Wirkungsgrad durch Ausnutzen der Vorteile sowohl der Kammerbauweise als auch der Trommelbauweise erreichbar.

Claims (7)

  1. Dampfturbine(1) mit einer Hochdruck-Teilturbine (2) und einer mit letzterer strömungstechnisch verbundenen Mitteldruck-Teilturbine (3), wobei die Hochdruck-Teilturbine (2) in Kammerbauweise und die Mitteldruck-Teilturbine (3) in Trommelbauweise ausgeführt ist.
  2. Dampfturbine (1) nach Anspruch 1, bei der die Hochdruck-Teilturbine (2) zweiflutig ausgeführt ist.
  3. Dampfturbine (1) mit einer Hochdruck-Teilturbine (2) und einer mit letzterer strömungstechnisch verbundenen Mitteldruck-Teilturbine (3), wobei die Hochdruck-Teilturbine (2) in Trommelbauweise, die Mitteldruck-Teilturbine (3) in Kammerbauweise und die Hochdruck-Teilturbine (2) zweiflutig ausgeführt ist.
  4. Dampfturbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Außengehäuse (4) in welchem die Hochdruck-Teilturbine (2) und die Mitteldruck-Teilturbine (3) angeordnet sind.
  5. Dampfturbine (1) nach Anspruch 4, bei der ein Schubausgleichkolben (5) zur Kompensation eines axialen Schubes der Mitteldruck-Teilturbine (3) vorgesehen ist und die Hochdruck-Teilturbine (2) axial zwischen der Mitteldruck-Teilturbine (3) und dem Schubausgleichkolben (5) angeordnet ist.
  6. Dampfturbine (1) nach Anspruch 1 oder 3, bei der die Hochdruck-Teilturbine (2) ein Außengehäuse (4a), insbesondere topfförmig, und die Mitteldruck-Teilturbine (3) ein davon axial beabstandetes Außengehäuse (4b) aufweist.
  7. Dampfturbine (1) nach Anspruch 6, bei der die Mitteldruck-Teilturbine (3) zweiflutig ausgeführt ist.
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