EP1034357B1 - Dampfturbogenerator mit wassergeschmierten lagern und ventilen - Google Patents

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EP1034357B1
EP1034357B1 EP98966767A EP98966767A EP1034357B1 EP 1034357 B1 EP1034357 B1 EP 1034357B1 EP 98966767 A EP98966767 A EP 98966767A EP 98966767 A EP98966767 A EP 98966767A EP 1034357 B1 EP1034357 B1 EP 1034357B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
steam
shaft
water
steam turbine
oil
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP98966767A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1034357A1 (de
Inventor
Rudolf Thiele
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
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1034357A1 publication Critical patent/EP1034357A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1034357B1 publication Critical patent/EP1034357B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime 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
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/18—Lubricating arrangements
    • F01D25/22—Lubricating arrangements using working-fluid or other gaseous fluid as lubricant
    • 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
    • F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
    • F01D15/10—Adaptations for driving, or combinations with, electric generators

Definitions

  • the invention relates to a steam turbine set with a steam turbine unit and a work machine unit connected to it to generate electrical power according to the Preamble of claim 4 and a method for operating a Steam turbine set according to the preamble of claim 1.
  • a method for operating a Steam turbine set according to the preamble of claim 1. Such a method is known from document DE 2 105 494.
  • Turbosets are mostly used to generate an electrical Mains whose frequency is 50 Hz (or 60 Hz). With high outputs (about 30 MVA and above) it is economical the steam turbine when using bipolar Generators with speeds of 3000 (or 3600) revolutions to operate per minute. For smaller services, however higher speeds> 3,000 to 16,000 revolutions per minute for the turbine - depending on the output - more economical. There is a reduction between the fast rotating steam turbine and that according to the desired frequency of the Current rotating generator required by means of a gearbox.
  • gearbox shaft not only does the gearbox shaft have to be supported a special lubrication, rather must in particular also the heavily loaded gear teeth of one another gripping tooth flanks are carefully lubricated and cooled.
  • the high speeds and loads require each a selected coolant and lubricant, for which so far practical only oils are available.
  • the object of the invention is with a steam turbine set a steam turbine and a work machine such by the Difficulties caused by lubricants and / or coolants to avoid.
  • the invention is based on the fact that water-hydraulic Control cylinder of the steam supply or regulating valves or other oil-free actuators of these valves the dangers and difficulties posed by oil avoid.
  • the invention provides linear motors to be used as valve actuators.
  • water-cooled bearings are easily suitable, if necessary for lubrication and cooling Amounts of water with sufficient pressure in the camp be fed.
  • the invention also assumes that a gearbox only is required if at the driven by the steam turbine Wave a reduction or translation of the speed he follows. But if it becomes possible, steam turbine and work machine to operate at the same speed, so a Gearboxes are eliminated and those associated with cooling the gearbox There are no problems.
  • the adaptation takes place solution between the generator speed (i.e. the speed of the high - speed steam turbine) to the lower frequency of the electrical current or the network through one to the generator connected frequency converter.
  • the generator speed i.e. the speed of the high - speed steam turbine
  • a gearbox is also not necessary if this corresponding machines to the high speed of the steam turbine be interpreted.
  • the steam turbine can the steam turbine unit and the generator of the work machine unit with one another via a coupling or flanges be connected.
  • the invention assumes that in the steam turbine unit Water can be used as a lubricant and coolant and then the fire hazard associated with the use of oil and avoid the risk of environmental damage from leaks become. In the entire turbo set can therefore on oil and the like be practically dispensed with. Foreign media penetrate then not in the exhaust steam flow of the turbine if the Storage is in an axial outflow and that Water for lubrication or cooling from the water cycle of the Steam power plant is removed.
  • One from a steam turbine driven shaft part and a driving the generator Wave parts are therefore as partial waves in the area between the Units for forming a common wave e.g. by directly coupled or forming a flange a rigid (e.g. one-piece) shaft, in which case the illustrated bearings between steam turbine and work machine by a single Bearings can be replaced.
  • the shaft bearings in the turbine unit becomes an oil-free cycle, namely a water cycle used. Also for the storage of this shaft in the machine unit only oil-free bearings are used.
  • the generator for generating electricity of a desired Frequency provided, for which the generator a frequency converter is connected downstream.
  • the steam turbine can in particular be a linear drive or a similar, at least oil-free drive unit (in particular combined with an electrical or electronic control) can be used.
  • the steam turbine unit can have different designs be and e.g. comprise one or more steam turbines which a steam discharge upwards or downwards (generally: in side Direction) or in the axial direction.
  • a axial outflow is usually with a level installation of Steam turbines with a generator (e.g. also in one line with a gas turbine). Here the generator then coupled to the side of the steam inflow.
  • So oil or some other lubricant can be in the whole Steam turbine kit to be replaced by water.
  • the turbo set preferably contains only oil-free components, because also cooling of stationary parts (e.g. of the frequency converter) possible through other media (e.g. air or water) is.
  • one (or more) water cycle is provided, from which drain water supply ducts to the individual camps. It is also possible that several shaft parts and / or shaft bearings in the steam turbine unit are provided and by a common Water cycle are supplied. Through water drainage channels is used as a coolant and lubricant Water from the shaft bearings is beneficial to the water cycle recycled. With this water cycle you can simultaneously preferably the cooling systems of a generator unit or another machine unit and also the Steam supply to the steam turbine unit can be operated. The same thing applies to a frequency converter, insofar as one is provided and its cooling is required. Also linear drives for actuating the control valves of the steam turbine can, if their cooling is necessary, through the water cycle be supplied.
  • the introduced into the circulating water Thermal energy is preferably generated by a heat exchanger withdrawn.
  • This heat exchanger is replaced by a operated open water circuit, but can also be an air-cooled Be a heat exchanger.
  • the required Cycle water also the steam / water cycle of the power plant be removed.
  • the cycle water is advantageous processed at the same time. Where applicable Wear particles or other contaminants, e.g. originating from the shaft bearing are filtered out.
  • FIG 1 is a steam turbine set in a schematic way shown, which bears the overall reference number 1 and one Steam turbine unit 2 and a generator unit 3 as others Includes work machine unit.
  • Units 2 and 3 are connected by a wave 4.
  • This wave consists of several shaft parts (two partial shafts 41, 42), that rotate at the same speed.
  • the partial shaft 41 leads through the steam turbine unit 2.
  • Inside the steam turbine 20 are the rotor blades 211 of the turbine on this partial shaft 41 attached, of which for better clarity the drawing shows only two pieces.
  • Between Blades 211 are on the turbine wall of the steam turbine 20 still attached the guide vanes 212, of which also only shown two pieces for the sake of clarity are.
  • the partial shaft 42 leads through the generator 30.
  • the Stator 32 Attached to it is the armature 31 of the generator 30, the Stator 32 surrounds the armature 31 in the circumferential direction and in Housing of the generator 30 is located.
  • the two partial waves 41 and 42 of the shaft 4 are connected to one another by flanges 43.
  • This frequency converter 5 converts the speed and the number of poles the shaft 4 determined output frequency of the generator current into a frequency that corresponds to the required network frequency of the corresponds to the power supply. Delivery of electricity to the power grid through lines 52.
  • the steam driving the turbine 20 is supplied through the steam supply 22.
  • the steam supply is regulated via control valves 221, which in turn have one or more Linear drives 222 and electrical controllers 223 are operated.
  • the shaft 4 is supported by shaft bearings 6. This are designed as plain bearings.
  • a lubricant and coolant for this shaft bearing 6 is water that through a Water supply 70 and a water return 71 are available is provided.
  • the water cycle is kept in motion by a pump 80.
  • the supply of the as a cooling and lubricating medium acting circuit water to the shaft bearings 6 through water supply channels leading from the water circuit 71 72.
  • the circulating water acts as Coolant and lubricant.
  • the sliding friction in the Bearing heat energy dissipated from the cycle water. From the shaft bearings 6, the circulating water becomes the water return 70 supplied via water discharge channels 73.
  • the circulating water of the water cycle can advantageously (70, 71) the cooling of further components of the turbo set take.
  • the circuit water is also used to cool the generator 30 used.
  • the circulation water is via a water supply channel 74 fed into the cooling system 33 of the generator 30 and from there via a water discharge channel 75 to the water return 70 fed.
  • a water supply channel 76 circulating water supplied and this via a water drainage channel 77 the water return 71 is supplied.
  • the cooling of the frequency converter 5 is effected in this way. Its cooling system (not shown) becomes circulating water supplied via a water supply channel 78 and via a water discharge channel 79 returned the water return 71.
  • the circulation water (70, 71) is cooled by a Heat exchanger 8 by releasing the thermal energy of the cycle water to an open exchanger water circuit 81.
  • the cooling of the Circulating water also through an air-cooled heat exchanger 9 done.
  • the cooling water (Not shown) circuit of the corresponding power plant are taken from which is also the water for the production of the Provides turbine steam.
  • the particular advantage of this Variant is that the circulating water in this case treated together with the water from the steam cycle becomes.
  • the embodiment shown in Figure 2 shows an oil-free Steam turbine kit with water as a lubricant and cooling medium with axial steam discharge.
  • the steam turbine set carries as such again the reference number 1.
  • the steam turbine unit 2 with the generator unit 3 through a shaft 4, (namely the two partial shafts 41 and 42) connected.
  • the Partial shafts 41 and 42 are coupled directly to one another via flanges 43.
  • the partial shaft 42 carries an armature in the generator 30 31. Neighboring this is also in the generator 30 contained stator 32.
  • the one generated by generator 30 Electric current is fed via lines 51 to a frequency converter 5 fed to the electrical after frequency conversion Feeds electricity via lines 52 into an electrical network.
  • the sub-shaft 41 has rotor blades within the turbine 20 211 on. Within gaps between the blades 211 are located on the static part of the steam turbine 20 Guide vanes 212.
  • the steam turbine 20 in this embodiment a steam outflow device 23 'through which an axial steam outflow is effected.
  • Such an axial steam outflow especially when installing steam turbines on a level with a generator (e.g. also in a line with a gas turbine). As can be seen in the figure, it becomes generator 30 then on the side of the steam inflow 22 of the steam turbine 20 hitched.
  • Connects to the steam outflow device 23 ' usually a capacitor (not shown here) or a back pressure connection (also not shown) on.
  • a capacitor not shown here
  • a back pressure connection also not shown
  • the supply of the camp 6 with circulating water takes place through Water supply channels 72. Passes through water discharge channels 73 the circulating water in the water return 71.
  • Cooling system 33 of the generator 30 with circulating water via a Water supply channel 74 and a water discharge channel 75 to Food.
  • the cooling of the linear drives is also advantageous 222 - if necessary - and the frequency converter 5, insofar as this is necessary, through the circulating water from the water cycle (70/71).

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)
  • Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)
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Description

Die Erfindung betrifft einen Dampfturbosatz mit einer Dampfturbineneinheit und einer daran angeschlossenen Arbeitsmaschineneinheit zur Erzeugung elektrischen Stroms gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4 und ein Verfahren zum Betrieb eines Dampfturbosatzes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Verfahren ist aus dem Dokument DE 2 105 494 bekannt.
Turbosätze werden meistens eingesetzt, um ein elektrisches Netz, dessen Frequenz 50 Hz (oder 60 Hz) beträgt, zu speisen. Bei hohen Leistungen (etwa 30 MVA und darüber) ist es wirtschaftlich, die Dampfturbine bei Verwendung von zweipoligen Generatoren mit Drehzahlen von 3000 (bzw. 3600) Umdrehungen pro Minute zu betreiben. Für kleinere Leistungen sind jedoch höhere Drehzahlen >3.000 bis 16.000 Umdrehungen pro Minute für die Turbine - je nach Leistung - wirtschaftlicher. Dabei ist eine Untersetzung zwischen der schnell rotierenden Dampfturbine und dem entsprechend der gewünschten Frequenz des Stromes rotierenden Generator mittels eines Getriebes erforderlich.
Dabei treten besondere Probleme mit der Schmierung und der Kühlung der Lager und Getriebe auf.
Im Getriebe erfordert nicht nur die Lagerung der GetriebeWellen eine besondere Schmierung, vielmehr müssen insbesondere auch die stark belasteten Getriebezähne der ineinander greifenden Zahnflanken sorgfältig geschmiert und gekühlt werden. Die hohen Drehzahlen und Belastungen erfordern jeweils ein ausgewähltes Kühl- und Schmiermittel, wofür bisher praktisch nur Öle zur Verfügung stehen.
Herkömmlicherweise verfügt ein Dampfturbosatz über einen Ölkreislauf, der im wesentlichen drei Aufgaben erfüllt:
  • Zum ersten dient das Öl als Schmier- und Kühlmittel für die Lager von Dampfturbine und Generator. Zum zweiten werden die Regelventile der Dampfturbine über ölhydraulische Stellzylinder betrieben. Zum dritten dient das Öl der Kühlung und
  • Schmierung des Getriebes. Die jeweils anfallende Verlustwärme wird an den Ölkreislauf abgegeben und an einen Öl/Wasserwärmeaustauscher abgeführt. Insgesamt sind zur Erfüllung dieser drei Aufgaben relativ große Ölmengen erforderlich. Dabei beträgt das Verhältnis von Schmieröl:Steueröl:Getriebeöl etwa 1:6:2.
    • Diese Ölmengen können zu mehreren Problemen führen. Im Falle von Leckagen im Ölkreislauf ist eine Umweltbeeinträchtigung durch austretendes Öl zu befürchten. Dies erfordert Vorsorgemaßnahmen wie z.B. Ölauffangwannen bzw. Abmauerungen für die Ölbehälter. Darüber hinaus stellt austretendes Öl eine ernstzunehmende Brandgefahr dar. Bei Berührung mit bis zu 500°C heißen Teilen der Turbine ist eine hohe Entzündungswahrscheinlichkeit gegeben. Alternativ verwendbare schwer entflammbare Flüssigkeiten sind zumeist toxisch. Aufwendige und teuere Maßnahmen sind für die Lagerung der Dampfturbinenwelle insbesondere bei Dampfturbosätzen mit axialer Dampfabströmung erforderlich, damit kein Öl in den Abdampfstrom der Turbine gelangt. Hierdurch würde der Dampfkreislauf durch ein artfremdes Medium verschmutzt, das zu vielseitigen Störungen führen kann.
    Zwar kann die Ölmenge im Ölkreislauf erheblich reduziert werden, wenn auf ölhydraulische Stellzylinder verzichtet und zu einem anderen Medium (das dann einen eigenen Kreislauf benötigt) oder anderen Antriebsprinzipien für die Stellventile (z.B. linear Antriebe, die unter Umständen ebenfalls eine Kühlung benötigen) übergegangen wird. Dies vermeidet aber nicht, daß in der Dampfabführung Verunreinigungen durch austretendes Lageröl der Turbine auftreten oder Öl in die Umgebung austritt. Hierzu ist ein hoher technologischer Aufwand nötig, wie aus zahlreichen Patentanmeldungen (z.B. EP 0 306 634, WO 94/01713 und DE 19606088.5) eindrucksvoll hervorgeht. Dieses Problem kann durch magnetisch gelagerte Wellen (z.B. DE-PS 42 27 280 oder DE 31 46 354 C2) oder durch andere Magnetlager mit permanent magnetischen und/oder supraleitenden Elementen (DE-A-44 44 587) gelöst werden, die allerdings ebenfalls einen Aufwand bedeuten. Für die Getriebe jedoch ist noch kein erfolgversprechender, ohne Kühlmittel arbeitender Ersatz bekannt.
    Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Dampfturbosatz mit einer Dampfturbine und einer Arbeitsmaschine solche durch das Schmier- und/oder Kühlmittel hervorgerufenen Schwierigkeiten zu vermeiden.
    Die Erfindung geht dabei zunächst davon aus, dass wasser-hydraulisch Stellzylinder der die Dampfzufuhr steuernden oder regelnden Ventile oder andere, ölfrei arbeitende Stellglieder dieser Ventile die von Öl ausgehenden Gefahren und Schwierigkeiten vermeiden. Das Gleiche gilt für eine ölfreie Lagerung der Generatoren bzw. der in einer Antriebsmaschineneinheit vorhandenen Aggregate (Generatoren, Pumpen, Kompressoren etc.). Insbesondere sieht die Erfindung vor, Linearmotoren als Stellantriebe der Ventile zu verwenden. Für die Arbeitsmaschineneinheit sind wassergekühlte Lager ohne weiteres geeignet, sofern die für die Schmierung und Kühlung erforderlichen Mengen an Wasser mit ausreichendem Druck in die Lager eingespeist werden.
    Die Erfindung geht außerdem davon aus, dass ein Getriebe nur erforderlich ist, wenn an der von der Dampfturbine angetriebenen Welle eine Untersetzung oder Übersetzung der Drehzahl erfolgt. Wenn es aber möglich wird, Dampfturbine und Arbeitsmaschine mit der gleichen Drehzahl zu betreiben, so kann ein Getriebe entfallen und die mit der Kühlung des Getriebes verbundenen Probleme treten nicht auf. Um die Einspeisung von Strom einer vorgegebenen Frequenz in ein elektrisches Netz oder einen Verbraucher zu gewährleisten, erfolgt die Anpas sung zwischen der Generatordrehzahl (also der Drehzahl der hochtourigen Dampfturbine) an die niedrigere Frequenz des elektrischen Stromes oder des Netzes durch einen an den Generator angeschlossenen Frequenzumformer. Enthält die Arbeitsmaschineneinheit Pumpen, Kompressoren oder andere Maschinen, so ist ein Getriebe ebenfalls nicht erforderlich, wenn diese entsprechenden Maschinen auf die hohe Drehzahl der Dampfturbine ausgelegt werden. Insbesondere kann also die Dampfturbine der Dampfturbineneinheit und der Generator der Arbeitsmaschineneinheit über eine Kupplung oder über Flansche miteinander verbunden sein.
    Schließlich geht die Erfindung davon aus, dass in der Dampfturbineneinheit Wasser als Schmier- und Kühlmittel verwendbar ist und dann die mit dem Einsatz von Öl verbundene Brandgefahr und die Gefahr von Umweltschäden durch Leckagen vermieden werden. Im gesamten Turbosatz kann daher auf Öl und dergleichen praktisch verzichtet werden. Artfremde Medien dringen dann auch nicht in den Abdampfstrom der Turbine, wenn die Lagerung sich in einer axialen Abströmung befindet und das Wasser zum Schmieren bzw. Kühlung aus dem Wasserkreislauf des Dampfkraftwerkes entnommen wird.
    Diese Aufgabe wird daher erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder durch einen Dampfturbosatz mit den Merkmalen des Anspruchs 4. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
    Im Vergleich mit dem Dokument DE-A-2105494 beschreibt das Verfahren gemäß Anspruch 1 und der Dampfturbosatz gemäß Anspruch 4 die folgenden neuen Merkmale:
    • der Dampfturbineneinheit wird Dampf mittels ölfrei angetriebener Ventile zugeführt,
    • das Wellenlager der Dampfturbineneinheit wird mit Wasser als Kühl- und Schmiermittel gespeist und der Strom aus dem Generator wird über einen elektrischen Frequenzumformer in ein Verbrauchernetz mit vorgegebener Netzfrequenz eingespeist.
    Erfindungsgemäß ist ein Dampfturbosatz mit einer Dampfturbineneinheit und einer einen Generator umfassenden Arbeitsmaschineneinheit vorgesehen, wobei die Einheiten ohne ein Getriebe miteinander verbunden sind. Ein von einer Dampfturbine angetriebenes Wellenteil und ein den Generator antreibendes Wellenteil sind also als Teilwellen im Bereich zwischen den Einheiten zur Bildung einer gemeinsamen Welle z.B. durch einen Flansch unmittelbar aneinander gekoppelt oder bilden eine starre (z.B. einstückige) Welle, wobei dann die beilden lager zwischen Dampfturbine und Arbeitsmaschine durch ein einziges Lager ersetzt werden können.
    Zur Schmierung und Kühlung der Wellenlager in der Turbineneinheit wird ein ölfreier Kreislauf, nämlich ein Wasserkreislauf verwendet. Auch für die Lagerung dieser Welle in der Arbeitsmaschineneinheit sind nur ölfreie Lager verwendet. Dabei ist der Generator zur Erzeugung elektrischen Stroms einer gewünschten Frequenz vorgesehen, wofür dem Generator ein Frequenzumformer nachgeschaltet ist. Zur Betätigung der Stellventile der Dampfturbine kann insbesondere ein Linearantrieb oder eine ähnliche, jedenfalls ölfrei arbeitende Antriebseinheit (insbesondere kombiniert mit einer elektrischen bzw. elektronischen Regelung) verwendet werden.
    Die Dampfturbineneinheit kann unterschiedlich ausgebildet sein und z.B. eine oder mehrere Dampfturbinen umfassen, die eine Dampfabführung nach oben oder unten (allgemein: in seitlicher Richtung) oder in axialer Richtung besitzen. Eine axiale Abströmung wird zumeist bei ebener Aufstellung von Dampfturbinen mit einem Generator (z.B. auch in einem Strang mit einer Gasturbine) verlangt. Hierbei wird der Generator dann an der Seite der Dampfeinströmung angekuppelt.
    Mithin kann also Öl oder ein anderes Schmiermittel in dem gesamten Dampfturbosatz durch Wasser ersetzt werden. Der Turbosatz enthält bevorzugt nur ölfrei betriebene Komponenten, da auch die Kühlung stationärer Teile (z.B. des Frequenzumformers) durch andere Medien (z.B. Luft oder Wasser) möglich ist.
    Für die Kühlung und Schmierung der Wellenlager ist insbesondere ein (oder mehrere) Wasserkreislauf vorgesehen, von dem zu den einzelnen Lagern Wasserzufuhrkanäle abgehen. Es ist auch möglich, daß mehrere Wellenteile und/oder Wellenlager in der Dampfturbineneinheit vorgesehen sind und durch einen gemeinsamen Wasserkreislauf versorgt werden. Durch Wasserabfuhrkanäle wird das als Kühl- und Schmiermittel verwendete Wasser von den Wellenlagern vorteilhaft an den Wasserkreislauf zurückgeführt. Mit diesem Wasserkreislauf können gleichzeitig vorzugsweise die Kühlsysteme einer Generatoreinheit oder einer sonstigen Arbeitsmaschineneinheit und auch die Dampfzuführung zur Dampfturbineneinheit bedient werden. Dasselbe gilt für einen Frequenzumformer, soweit ein solcher vorgesehen wird und dessen Kühlung erforderlich ist. Auch Linearantriebe zur Betätigung der Stellventile der Dampfturbine können, falls deren Kühlung erforderlich ist, durch den Wasserkreislauf versorgt werden. Damit ist es möglich, daß ein einziger Wasserkreislauf die gesamte Verlustwärmeabfuhr eines Turbosatzes übernimmt. Die in das Kreislaufwasser eingebrachte Wärmeenergie wird vorzugsweise durch einen Wärmeaustauscher entzogen. Dieser Wärmeaustauscher wird durch einen offenen Wasserkreislauf bedient, kann aber auch ein luftgekühlter Wärmeaustauscher sein.
    Da Wasser eine relativ hohe Wärmeaufnahmekapazität besitzt, können die einzelnen Kühlkomponenten relativ klein ausfallen. Außerdem können kleiner dimensionierte Komponenten verwendet werden, weil die bisher üblichen Volumina für das Steueröl, das für die Steuerung der Stellzylinder für Stellventile der Dampfturbine und das Getriebeöl benutzt wird, eingespart werden können. Insgesamt ergibt sich daher auch eine Reduzierung der umlaufenden Medienmenge. Dies wirkt sich sowohl auf die Komponentengröße wie Rohrleitungen und Kühler, als auch auf die erforderliche Leistung des den Wasserkreislauf treibenden Pumpsystems aus. In dem Wasserkreislauf werden Wasserverluste bevorzugt durch aufbereitetes Wasser ersetzt, das ohnehin in Kraftwerken bereitgestellt wird, um das Wasser für die Dampfeinspeisung in die Dampfturbine in einem entsprechenden Kreislauf zu führen.
    Da der Schmier- und Kühlmittelkreislauf mit dem gleichen Medium betrieben wird wie die Dampfturbine, kann das benötigte Kreislaufwasser auch dem Dampf/Wasser-Kreislauf des Kraftwerks entnommen werden. Dabei wird vorteilhaft das Kreislaufwasser gleichzeitig aufbereitet. Gegebenenfalls anfallende Verschleißpartikel oder sonstige Verunreinigungen, die z.B. vom Wellenlager herrühren, werden ausgefiltert.
    Weil das gleiche Medium sowohl als Kühl- und Schmiermittel für die Wellenlager als auch für die Dampferzeugung der Dampfturbine verwendet wird, ist insbesondere bei Dampfturbinen mit axialer Abströmung eine Anordnung eines Wellenlagers im Abdampfstrom der Dampfturbine möglich, ohne daß im Falle von Leckagen in der Lagerdichtung eine Gefahr der Verschmutzung des Dampfkreislaufes durch ein artfremdes Medium zu befürchten ist.
    Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele für einen ölfreien Dampfturbosatz mit Wasser als Schmier- und Kühlmedium angegeben. Es zeigen
    FIG 1
    einen ölfreien Dampfturbosatz mit Wasser als Schmierund Kühlmedium mit seitlicher (nämlich nach unten gerichteter) Dampfabströmung.
    FIG 2
    einen ölfreien Dampfturbosatz mit Wasser als Schmierund Kühlmedium mit axialer Dampfabströmung.
    In Abbildung 1 ist in schematischer Weise ein Dampfturbosatz dargestellt, der insgesamt das Bezugszeichen 1 trägt und eine Dampfturbineneinheit 2 und eine Generatoreinheit 3 als sonstige Arbeitsmaschineneinheit enthält. Die Einheiten 2 und 3 sind miteinander verbunden durch eine Welle 4. Diese Welle besteht aus mehreren Wellenteilen (zwei Teilwellen 41, 42), die mit gleicher Drehzahl rotieren. Die Teilwelle 41 führt durch die Dampfturbineneinheit 2. Innerhalb der Dampfturbine 20 sind an dieser Teilwelle 41 die Laufschaufeln 211 der Turbine angebracht, von denen zur besseren Übersichtlichkeit in der Zeichnung nur zwei Stück dargestellt sind. Zwischen den Laufschaufeln 211 sind an der Turbinenwand der Dampfturbine 20 noch die Leitschaufeln 212 angebracht, von denen ebenfalls zwecks besserer Übersichtlichkeit lediglich zwei Stück dargestellt sind. Die Teilwelle 42 führt durch den Generator 30. An ihr angebracht ist der Anker 31 des Generators 30, dessen Stator 32 den Anker 31 in Umfangsrichtung umgibt und sich im Gehäuse des Generators 30 befindet. Die beiden Teilwellen 41 und 42 der Welle 4 sind miteinander durch Flansche 43 verbunden. Vom Generator 30 wird der damit erzeugte Strom über Leitungen 51 einem Frequenzumformer 5 zugeleitet. Dieser Frequenzumformer 5 wandelt die von der Drehzahl und der Polzahl der Welle 4 bestimmte Ausgangsfrequenz des Generatorstromes in eine Frequenz um, die der erforderlichen Netzfrequenz des zu speisenden Stromnetzes entspricht. Die Abgabe des Stromes an das Stromnetz erfolgt dabei durch die Leitungen 52.
    Die Zuführung des die Turbine 20 treibenden Dampfes erfolgt durch die Dampfzuführung 22. Geregelt wird die Dampfzufuhr über Stellventile 221, die ihrerseits über einen oder mehrere Linearantriebe 222 und elektrische Regler 223 betrieben werden.
    Die Abströmung des Turbinendampfes erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel über eine nach unten gerichtete Dampfabströmung 23. Bei einer derartigen seitlichen Dampfabströmung nach unten besteht gegenüber einer axialen Abströmung (vergleiche Figur 2) der Vorteil, daß eine Lagerung der Welle 4 innerhalb der Dampfabströmungseinrichtung 23 nicht erforderlich ist.
    Die Lagerung der Welle 4 erfolgt durch Wellenlager 6. Diese sind hier als Gleitlager ausgestaltet. Als Schmier- und Kühlmittel für diese Wellenlager 6 dient Wasser, das durch einen Wasservorlauf 70 und einen Wasserrücklauf 71 zur Verfügung gestellt wird. In Bewegung gehalten wird der Wasserkreislauf durch eine Pumpe 80. Die Zuführung des als Kühl- und Schmiermediums wirkenden Kreislaufwassers zu den Wellenlagern 6 erfolgt durch vom Wasserkreislauf 71 abgehende Wasserzufuhrkanäle 72. In dem Wellenlager 6 wirkt das Kreislaufwasser als Kühl- und Schmiermedium. Somit wird die durch Gleitreibung im Lager entstehende Wärmeenergie vom Kreislaufwasser abgeführt. Von den Wellenlagern 6 wird das Kreislaufwasser dem Wasserrücklauf 70 über Wasserabfuhrkanäle 73 zugeführt.
    Vorteilhafterweise kann das Kreislaufwasser des Wasserkreislaufes (70, 71) die Kühlung weiterer Komponenten des Turbosatzes übernehmen. In dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 wird das Kreislaufwasser ebenfalls zur Kühlung des Generators 30 verwendet. Über einen Wasserzufuhrkanal 74 wird das Kreislaufwasser in das Kühlsystem 33 des Generators 30 eingespeist und von dort über einen Wasserabfuhrkanal 75 dem Wasserrücklauf 70 zugeführt. In eben solcher Weise erfolgt eine gegebenenfalls erforderliche Kühlung der Linearantriebe 222 dadurch, daß diesen über einen Wasserzufuhrkanal 76 Kreislaufwasser zugeführt und dieses über einen Wasserabfuhrkanal 77 dem Wasserrücklauf 71 zugeführt wird. In gleicher vorteilhafter Weise wird die Kühlung des Frequenzumformers 5 bewirkt. Dessen Kühlsystem (nicht dargestellt) wird Kreislaufwasser über einen Wasserzufuhrkanal 78 zugeführt und über einen Wasserabfuhrkanal 79 den Wasserrücklauf 71 zurückgeführt.
    Die Kühlung des Kreislaufwassers (70, 71) erfolgt durch einen Wärmeübertrager 8 durch Abgabe der Wärmeenergie des Kreislaufwassers an einen offenen Austauscherwasserkreislauf 81. Alternativ oder in Kombination dazu kann die Kühlung des Kreislaufwassers auch durch einen luftgekühlten Wärmeübertrager 9 erfolgen.
    In besonders vorteilhafter Weise kann das Kühlwasser dem (nicht dargestellten) Kreislauf des entsprechenden Kraftwerks entnommen werden, der auch das Wasser für die Erzeugung des Turbinendampfes bereitstellt. Der besondere Vorteil dieser Variante liegt darin, daß das Kreislaufwasser in diesem Falle zusammen mit dem Wasser des Dampfkreislaufes aufbereitet wird.
    Die in Figur 2 dargestellte Ausführungsform zeigt einen ölfreien Dampfturbosatz mit Wasser als Schmier- und Kühlmedium mit axialer Dampfabströmung. Komponenten, die der Ausführungsform von Abbildung 1 entsprechen, weisen die gleichen Bezugszeichen auf. Insbesondere trägt der Dampfturbosatz als solcher wieder das Bezugszeichen 1. Auch hier ist die Dampfturbineneinheit 2 mit der Generatoreinheit 3 durch eine Welle 4, (nämlich die zwei Teilwellen 41 und 42) verbunden. Die Teilwellen 41 und 42 sind über Flansche 43 direkt aneinandergekoppelt. Die Teilwelle 42 trägt im Generator 30 einen Anker 31. Diesem gegenüber benachbart ist der ebenfalls im Generator 30 enthaltene Stator 32. Der vom Generator 30 erzeugte elektrische Strom wird über Leitungen 51 einem Frequenzumformer 5 zugeleitet, der nach Frequenzumformung den elektrischen Strom über Leitungen 52 in ein elektrisches Netz einspeist. Innerhalb der Turbine 20 weist die Teilwelle 41 Laufschaufeln 211 auf. Innerhalb von Zwischenräumen zwischen den Laufschaufeln 211 befinden sich am statischen Teil der Dampfturbine 20 Leitschaufeln 212.
    Entgegen dem Ausführungsbeispiel in Figur 1 weist die Dampfturbine 20 in diesem Ausführungsbeispiel eine Dampfabströmungseinrichtung 23' auf, durch die eine axiale Dampfabströmung bewirkt wird. Eine derartige axiale Dampfabströmung wird insbesondere bei ebener Aufstellung von Dampfturbinen mit Generator (z.B. auch in einem Strang mit einer Gasturbine) verlangt. Wie in der Figur zu erkennen ist, wird er Generator 30 dann an der Seite der Dampfeinströmung 22 der Dampfturbine 20 angekuppelt. An die Dampfabströmungseinrichtung 23' schließt sich üblicherweise ein (hier nicht dargestellter) Kondensator oder ein (ebenfalls nicht dargestellter) Gegendruckstutzen an. Im Gegensatz zu Ausführungsformen von Dampfturbinen mit Dampfabströmung nach unten oder zur Seite erfordert eine Dampfturbine mit axialer Abströmung ein Wellenlager im Dampfstrom. Eine derartige Anordnung ist im rechten Teil von Figur 2 erkennbar. Dort befindet sich ein die Welle 4 umgebendes Wellenlager 6 innerhalb der Dampfabströmungseinrichtung 23'. Durch diese Anordnung besteht die erhebliche Gefahr, daß Kühl- und Schmiermittel vom Lager 6 in den Dampfkreislauf gelangt. Bei der hier vorgesehenen Verwendung von Kreislaufwasser aus dem Wasservorlauf 71 zur Schmierung und Kühlung des Lagers 6 ist eine Verunreinigung des Dampfkreislaufmediums durch ein artfremdes Kühl- und Schmiermittel für das innerhalb der Dampfabströmungseinrichtung 23' befindliche Wellenlager 6 praktisch unmöglich.
    Die Versorgung der Lager 6 mit Kreislaufwasser erfolgt durch Wasserzufuhrkanäle 72. Durch Wasserabfuhrkanäle 73 gelangt das Kreislaufwasser in den Wasserrücklauf 71. Wie bei der Ausführungsform in Figur 1 ist es auch hier vorteilhaft, das Kühlsystem 33 des Generators 30 mit Kreislaufwasser über einen Wasserzuführkanal 74 und einen Wasserabfuhrkanal 75 zu speisen. Ebenfalls vorteilhaft ist die Kühlung der Linearantriebe 222 - sofern erforderlich - und des Frequenzumformers 5, soweit dieser erforderlich ist, durch das Kreislaufwasser aus dem Wasserkreislauf (70/71).
    Selbstverständlich ist es beiden genannten Ausführungsformen möglich, die zweiteilig dargestellte Welle 4 durch eine einheitliche Welle zu ersetzen.

    Claims (10)

    1. Verfahren zum Betrieb eines Dampfturbosatzes (1) mit einer Dampfturbineneinheit (2) und einer einen Generator (30) zur Erzeugung von Strom enthaltenden Arbeitsmaschineneinheit (3), wobei ein in der Dampfturbineneinheit (2) in einem Wellenlager (6) gelagertes Wellenteil (41) einer Welle (4) mittels einer Dampfturbine (20) in Rotation versetzt wird, die gleiche Rotation der Welle mittels eines ölfrei in der Arbeitsmaschineneinheit (3) gelagerten Wellenteils (42) auf den Generator (30) ohne Zwischenschaltung eines Getriebes übertragen wird,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      der Dampfturbineneinheit (2) Dampf mittels ölfrei angetriebener Ventile (221) zugeführt wird und das Wellenlager (6) der Dampfturbineneinheit (2) mit Wasser als Kühl- und
      Schmiermittel gespeist wird und der Strom aus dem Generator über einen elektrischen Frequenzumformer (5) in ein Verbrauchernetz (52) mit vorgegebener Netzfrequenz eingespeist wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem alle Lager (6) rotierender Teile mit aufbereitetem Wasser aus einem Wasserkreislauf (70/71) geschmiert und gekühlt werden.
    3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem dem Wasserkreislauf auch das Wasser zur Erzeugung des Dampfes für die Dampfturbine entnommen wird.
    4. Dampfturbosatz (1) mit einer Dampfturbineneinheit (2) und einer weiteren Arbeitsmaschineneinheit (3), wobei einer Dampfturbine (20) Dampf über Stellventile (221) zuführbar ist, mit dem Dampf eine Welle (4) mit einem in einem Wellenlager (6) sitzenden Wellenteil (41) der Dampfturbineneinheit (2) in Rotation versetzbar und von der Welle (4) ein Generator (30) der Arbeitsmaschineneinheit (3) antreibbar ist, wobei ein ohne Zwischenschaltung eines Getriebes direkt von der Dampfturbine (20) angetriebenes, ölfrei gelagertes Wellenteil (42) des Generators (30) vorgesehen ist,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      ein Kreislauf (70/71) für Wasser als Schmier- und Kühlmittel für das Wellenlager (6) und ölfreie Antriebe für die Stellventile (221) vorgesehen sind, wobei dem Generator (30) ein Frequenzumformer (5) zur Erzeugung von Strom einer gewünschten Frequenz zur Einspeisung in ein Verbrauchernetz nachgeschaltet ist.
    5. Dampfturbosatz (1) nach Anspruch 4, bei dem die Welle (4) von dem Wellenteil (41) der Dampfturbineneinheit, dem Wellenteil (42) der Arbeitsmaschineneinheit und einer starren Kopplung (43) beider Wellenteile gebildet ist.
    6. Dampfturbosatz (1) nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die Welle mit dem Wellenteil (41) der Dampfturbineneinheit (2) und dem Wellenteil (42) der Arbeitsmaschine (30) aus einem Stück besteht und nur in dem Wellenlager (5) gelagert ist.
    7. Dampfturbosatz (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem die Dampfturbineneinheit (2) eine Abströmung in axialer Richtung aufweist und das Wellenlager (6) in dieser Abströmung angeordnet ist.
    8. Dampfturbosatz (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem mindestens ein Lager für das angetriebene Wellenteil (42) der Arbeitsmaschineneinheit (3) von Wasser als Schmier- und Kühlmittel gespeist ist.
    9. Dampfturbosatz (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, bei dem die Stellventile (221) ölfreie Linearantriebe (222, 223) aufweisen.
    10. Dampfturbosatz (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 9, bei dem der Wasserkreislauf (70/71) mit aufbereitetem Wasser aus einem Wasserkreislauf eines Kraftwerks, insbesondere einem den Dampf für die Dampfturbineneinheit (2) liefernden Wasserkreislauf, gespeist ist.
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