AT381367B

AT381367B - Innere isolation fuer hochtemperatur-dampfturbinen

Info

Publication number: AT381367B
Application number: AT200584A
Authority: AT
Original assignee: Jericha Herbert Dipl Ing Dr Te
Priority date: 1984-06-20
Filing date: 1984-06-20
Publication date: 1986-10-10
Also published as: ATA200584A; ATA68986A; AT386061B

Description

EMI1.1

dabei das Aussengehäuse gekühlt. Da dieser Kühldampfstrom niedrigeren Druck hat als der Haupt- dampfstrom, kann er auch nicht in diesen eingespeist werden. Die durch Wärmeleitung aus dem
Hauptdampfstrom entzogene Energie kann daher innerhalb dieses Gehäuses nicht wieder genutzt werden. Dieser Energieverlust ist beträchtlich, da das Innengehäuse nahezu den vollen Wert der jeweiligen Heissdampftemperatur im Inneren annimmt.

Für Dampfturbinen mit sehr hoher Dampftemperatur ist es daher notwendig, eine wirksame
Isolation des Dampfstroms zu schaffen. Der Grundgedanke der Erfindung ist es, die bei Gasturbi- nen erprobten Vorteile der inneren Isolation auch für den Dampfturbinenbau nutzbar zu machen.
Dabei ist auf die Eigenschaft des Mediums Wasserdampf Rücksicht zu nehmen, das viele mineral- sche Isolierstoffe auflöst und daher ein absolut beständiges Isolationsmaterial erfordert. Weiters ist die Eigenschaft des Mediums Wasserdampf, bei Umgebungstemperatur zu kondensieren und den flüssigen Aggregatzustand anzunehmen, in der Konstruktion einer solchen Isolation bzw. des Gehäuses einer solchen Dampfturbine zu beachten. Es sind durch entsprechende Entwässerungs- leitungen Abflussmöglichkeiten für das Kondensat zu schaffen.

Kondensation tritt vor allem beim
Anfahren aus dem kalten Zustand auf, wenn die Metallmassen durch Dampf erwärmt werden müssen. Weiters auch im Dauerbetrieb, wenn das Aussengehäuse sich auf Kondensationstemperatur befindet und noch ein gewisser Wärmeverlust nach aussen stattfindet. An der Innenseite des
Aussengehäuses würde dann eine entsprechende Kondensation stattfinden. Auch dieses Kondensat muss über Entwässerungen laufend abgeführt werden.

Es wird daher gemäss der Erfindung vorgeschlagen eine innere Isolation für eine Dampfturbine zu schaffen, u. zw. so, dass das drucktragende Aussengehäuse nur auf Temperaturen kommt, die in der Umgebung der Sattdampftemperatur des Druckes sind, mit dem das Gehäuse erfüllt ist. Auch bei hohen Drücken sind dies relativ niedrige Temperaturen und sind unter dem Temperaturwert, bei dem niedrige oder auch unlegierte Werkstoffe Beeinflussung durch die Temperatur zeigen. Das heisst, das drucktragende Gehäuse kann in seinen Festigkeitseigenschaften praktisch wie im kalten Zustand berechnet und betrieben werden. Eine dünne konventionelle Isolation an der Aussenseite sorgt für Berührungsschutz und für die weitere Verminderung der Wärmeverluste nach aussen, die aber infolge dieser geringen Temperatur des drucktragenden Gehäuses an sich sehr gering sind.

Zwischen dem drucktragenden Gehäuse und dem Isolationskörper wird ein Spalt vorgesehen, der ausreichenden Querschnitt für eine Durchspülung mit "kaltem" Dampf aufweist. Aus diesen ringspaltähnlichen Räumen kann beim Anfahren mit kalter Maschine das anfallende Kondensat in der üblichen Weise durch Entwässerungsleitungen aus dem Turbinengehäuse entfernt werden.

Im Dauerbetrieb, auf hoher Temperatur des Dampfes im Hauptstrom, kann durch die Anspeisung dieses Ringspaltes und durch die Anspeisung der analogen Spalte an den senkrechten Wänden des Hauptgehäuses bzw. in der Umgebung und an der Trennfläche zwischen den Innengehäusen, Frischdampfrohrleitungen und den Leitschaufelträgern durch Einspeisung von Dampf geeigneten Druckes und niedriger Temperatur, vorzugsweise von Sattdampf oder niedrig oder niedriger überhitztem Dampf eine Strömung durch den Isolierkörper nach innen hergestellt werden, die der Wärmeströmung entgegengerichtet ist und somit den Wärmefluss aus den heissen, inneren Teilen der Turbine nach aussen auf nahezu Null zu regeln imstande ist.

Dies ist deshalb möglich, da der gesamte Isolierkörper mit seinen metallischen Einbauten so gestaltet sein muss, dass Strömungsquerschnitte für die Ausströmung des Dampfes bei plötzlicher Druckabsenkung vorhanden sind. Diese Strömungsquerschnitte können daher im stationären Betrieb zu obigem Zweck benutzt werden. Die Druckausgleichsbohrungen an der Innenseite des Isolationskörpers ermöglichen es nun, Dampf aus dem Isolierkörper direkt in den Hauptstrom des Dampfes an geeigneter Stelle einzuspeisen. Dies wird vor allem zwischen den Leitschaufelträgern möglich.

Durch geeignete Anordnung dieser Einspeisebohrungen bzw. Druckausgleichsbohrungen ist es auch möglich, gewissen Konvektionseffekten der Wärmeübertragung innerhalb des Isolationskörpers zu begegnen.

Bei der Gestaltung des Isolationskörpers selbst ist die Hauptaufgabe, das Volumen mit möglichst wenig metallischer Substanz zu füllen, damit die geringe Leitfähigkeit des stagnierenden Dampfes im Mittel nicht zu sehr erhöht wird. Geeignet sind hiezu Metallfasern aus austenitischem Stahl oder aus Nickel-Legierungen, die bei der Zerspanung derartiger Materialien gewonnen

werden könnten. Zum Beispiel möglichst rechteckige lockenförmige Späne oder auch Rohrabschnitte, Ringe in ungefähr quadratischem Umriss, die durch Abschneiden aus Rohren entstehen, die z. B. Rohrabschnitte sind, die teilweise eingequetscht sind ; es können tiefgezogene Näpfe Verwendung finden, wobei diese Materialien regellos geschüttet werden.

Durch ihre grosse Fläche ergibt sich eine gute Abdeckung für die Strahlung und bei entsprechend dünnen metallischen Wandquerschnitten geringe metallische Leitfähigkeit. Im Falle der Druckabsenkung stehen genügend grosse Querschnitte in solchen Schüttmaterialien zum Ausströmen des Dampfes zur Verfügung. Die Konvektion des Dampfes muss durch horizontal gelegte Bleche besonders behindert werden. Besonders ist dies nötig in der Teilfuge der Turbine und auch oberhalb und unterhalb, wobei diese Bleche jedoch in diesen Bereichen dann nicht mehr völlig horizontal gelegt werden können, um nicht die Ausströmung bei Druckabsenkung zu behindern. Sie sind jedoch nur in grösseren Abbständen erforderlich, da die Schüttmaterialien an sich einen entsprechend grossen Widerstand für die Konvektionsströmung hervorrufen.

Im Bereich höchster Temperaturen und der hohen Strahlung müssen Bleche gelegt werden, die senkrecht zur Strahlungsoberfläche liegen. Sie müssen gebohrt sein, um die Ausströmung bei Druckabsenkung mit genügend grossen Querschnitten zu ermöglichen, und sie müssen zu diesem Zweck, da ja dann pro Blech Kräfte entstehen, durch Noppen und Leisten gegeneinander abgestützt sein. Die Bleche sollen aus möglichst hochwertigem Material mit blanker Oberfläche hergestellt sein, um einen niedrigen Schwärzegrad zu erreichen. Die Löcher und Durchlässe für die Ausströmung bei Druckabsenkung müssen im Sinne der Strahlung so gegeneinander versetzt sein, dass keine Durchsichtigkeit entsteht. Durch Wickeln derartiger Blechstreifen lässt sich ein homogener Isolationskörper erzeugen, der beträchtliche Druck-und Wärmespannungen aufnehmen kann.

Im einzelnen werden diese Konstruktionen in den Zeichnungen beschrieben und bezeichnet.

So zeigt Fig. l die Konstruktion einer Hochtemperatur-Dampfturbine, im Ausführungsbeispiel mit einem Dampfkompressor, im Sinne eines geschlossenen Gasturbinenprozesses mit Wasserdampf als Kreislaufmedium. Dabei bedeutet --1-- das kalte, auf Sattdampftemperatur befindliche, drucktragende Aussengehäuse, --2-- die äussere Isolation, die lediglich als Berührungsschutz erforderlich ist, --3-- den Spalt zwischen dem Isolationskörper und dem kalten Aussengehäuse, - bezeichnet den eigentlichen Isolationskörper, der in der oben geschilderten Weise aus gewickelten Blechen bzw. Schüttmaterial und der notwendigen Stützkonstruktion besteht.

Im Bereich des Strömungskanals zwischen der Kompressorturbine, auch als Hochdruckturbine bezeichnet, und der Nutzturbine, auch als Mitteldruckturbine bezeichnet, ist hier auch eine Isolation nach innen zu, zum Schutze des innenliegenden Lagerkörpers und der Lager der beiden Läufer erforderlich. Auch hier wird ein entsprechender Isolationskörper gebildet und auch dieser wird durch einen Spalt gegenüber dem eigentlichen Lagerkörper isoliert.

Der Spalt --3--, zwischen dem Aussengehäuse --1-- und dem Isolationskörper --4-- sei vom Kompressor her, oder auch vom Kessel her, mit Dampf geeigneten Druckes, jedoch niedrigerer Temperatur, wie in der Hauptströmung beaufschlagt. Im dargestellten Falle herrscht daher im gesamten Aussengehäuse der Dampfturbine der gleiche Druck, wie er am Austritt aus der schnelläufigen Kompressorturbine bzw. am Eintritt in die Generator-Antriebsturbine herrscht. Dadurch erfolgt eine Durchspülung des Isolationskörpers vom Spalt her in die Hauptströmung. Die Wärme-
EMI3.1
über den Spalt --3-- im Sinne einer Dampfströmung, die nach der Kompressorturbine in den Dampfkanal der Hauptströmung durch Druckausgleichsbohrungen oder durch die Ringspalte --5-eintritt, wieder in den Hauptstrom und damit in den Dampfkreisprozess rückgeführt.

Druckausgleichsbohrungen sind druckmässig sinngemäss wie die Ringspalte --5-- angeordnet und können an
EMI3.2
Druck und daher die gewünschte Rückspeisung ergeben. Sie sind so zu verteilen, dass ein möglichst gleichmässiges Temperaturfeld im Isolationskörper --4-- und eine gleichmässige Rückspeisung erfolgt. Da sich infolge der Konvektionsströmung im Inneren des Isolationskörpers eine Ansammlung heisser Dampfteilchen nach oben zu ergibt, sind die Druckausgleichsbohrungen zweckmässigerweise

in den oberen Gehäusehälften entsprechend zu vermehren, um die durch die Konvektionsströmung des stagnierenden Dampfes am meisten erwärmten Stellen der Isolation zu erfassen.

Fig. 2 zeigt einige mögliche Ausführungen von Einzelteilen für Schüttmaterial für Isolierung in Form eines tiefgezogenen Napfes --7-- bzw. eines gequetschten Rohrabschnittes --8, 9--.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt senkrecht zur Turbinenachse mit dem Aussengehäuse --1--, dem
Spalt --3--, dem Innengehäuse bzw. Leitschaufelträger --6-- und die Ausführung des Isolations- körpers in zwei Teilen aus gewickelten Blechen --10--, aus Schüttmaterial --12-- mit einer dazwischenliegenden Tragkonstruktion --11-- und Blechen zur Konvektionsverhinderung --13--.

Diese Ausführung ist zur Strahlungseindämmung, Konvektionsbehinderung und Minimisierung der Wärmeleitung, wie sie in unmittelbarer Nähe der heissesten Innenteile, also der Einströmrohre und der Innengehäuse bzw. Leitschaufelträger --6, 2, 6, 1, 6-- erforderlich wäre, gezeigt.

Die Bleche gemäss Fig. 4 seien aus einem Blechstreifen entsprechend kalt gewalzten Bleches mit geeigneter Oberfläche durch Pressen und Stanzen erzeugt, und sollen auf die entsprechenden Bauteile aufgewickelt werden. Um der Beanspruchung durch Kräfte bei der plötzlichen Druckabsenkung zu begegnen, kann es nötig sein, sowohl diese Bleche, als auch das Schüttmaterial in regelmässigen Abständen durch stärkere Lochbleche, die in soliden Trägern verankert sind, abzustützen. Die Anordnung dieser Abstützbleche ist gemeinsam mit den Blechen zur Behinderung der Konvektion in Fig. 3 dargestellt.

PATENTANSPRÜCHE :
1. Innere Isolation des Doppelgehäuses von Hoch- und Höchsttemperatur-Dampfturbinen, bestehend aus im Inneren des drucktragenden Aussengehäuses angeordneten Isolationskörpern, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Isolationskörper (4) und dem möglichst kalt zu haltenden drucktragenden Aussengehäuse (1) ein Spalt (3) vorgesehen ist, welcher über übliche Entwässerungsleitungen und Kondensatableiter an das Entwässerungssystem der Dampfturbine angeschlossen ist, wobei der Isolationskörper (4) aus metallischen Fasern, Blechen (7,8, 9,10), Siebblechen und geeigneten Halterungs-Tragkonstruktionen (11,12) besteht, wobei der Spalt (3) mit Dampf etwas höheren Druckes und niedrigerer Temperatur, als der Dampf der Hauptströmung in den Turbinenstufen besitzt,

aus einem Dampfkotnpressor oder aus einer Kesselanzapfung anspeisbar ist, wobei die Einströmung dieses Dampfes in die Hauptströmung durch Druckausgleichsbohrungen bzw. Ringspalte (5) des inneren Führungsgehäuses (6, 1) bzw. des inneren Einströmgehäuses (6, 2) bzw. Leitschaufelträgers (6) erfolgt.

Claims

2. Innere Isolation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Isolationskörper (4) metallisches Fasermaterial, Späne aus Dreh- bzw. Fräsbearbeitung, vorzugsweise schraubenförmige Späne mit ungefähr rechteckigem dünnem Querschnitt Verwendung finden, wobei als Schüttmaterial besonders gefertigte Schüttkörper benutzt werden, z. B. durch Tiefziehen aus einer runden Blechscheibe erzeugte Näpfe (7) oder durch Abschneiden von Rohren entstandene Ringe (8) oder durch Abquetschen und Abschneiden von Rohren (9) entstandene Füllkörper von ungefähr quadratischem Umriss, die in einen Körper von der äusseren Kontur des Isolationskörpers (4) aus stärkerem Siebblech gefüllt sind, wobei diese Bauteile vorzugsweise aus austenitischen Stählen bestehen.

3. Innere Isolation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Isolationskörper (4) in den Zonen der höchsten Temperatur Bleche mit blanker Oberfläche und durch Stanzen und Pressen erzeugter Profilierung mit Druckausgleichsbohrungen (14), Abstützkanten (15) und Abstütznoppen (17) verwendet werden, wobei diese Bleche durch Aufwickeln eines langen Streifens (10) auf den heissen Innenteilen in der Zone der höchsten Temperatur zur Verminderung der Wärmeleitung durch Strahlung und Konvektion aufgebracht sind.

4. Innere Isolation nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von Schüttmaterial zur Herstellung des Isolationskörpers (4) in regelmässigen Abständen <Desc/Clms Page number 5> etwa horizontale, nicht gebohrte, dünne Bleche (13), vorzugsweise in der Teilfuge der Turbine, eingelegt sind, die die in senkrechter Richtung stattfindende Konvektion behindern.