AT513548A1 - Mehrdruck-Dampfturbine zur Krafterzeugung - Google Patents

Abstract

Mehrdruck-Dampfturbine zur Krafterzeugung, die für jeden derDampfströme mindestens einen eigene Düsenkasten (11', 11'')vorsieht, welche gemeinsam auf die Laufschaufelreihe (5) mitGleichdruck-Beschaufelung des einzigen Turbinenlaufrades (4)ausblasen und wirken; die Düsenkästen (11) sind, bezogen auf dieTurbinenwelle (1), sektoral und/oder konzentrisch angeordnet,wobei die Düsenwinkel des Düsenkastens (18) bzw. dieRadiusabstände (27) zur Turbinenwellenachse (17) derartangepasst sind, dass sich minimierte Verluste ergeben.

Description

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Aktenzeichen

Die Erfindung betrifft eine Mehrdruck-Dampfturbine zur Krafterzeugung.

Die technische Aufgabe der Erfindung besteht darin, vorzugsweise im Leistungsbereich von Klein-Dampfturbinen, also von einigen zig kW bis wenigen MW, wirtschaftliche und praktikable Lösungen anzubieten. Für derartige Dampfturbinen bestünde insbesondere im Bereich der Abwärmen-Nutzung von Fluidströmung und Abgasmengen zur Stromerzeugung, in Industrie, in der Krafterzeugung und hinter Verbrennungskraftmaschinen, ein steigernder Bedarf, da diese Art der Stromerzeugung emissions- und C02-frei erfolgt.

Im Standardwerk von Fritz Dietzel: „Dampfturbinen", 1950 sucht man das Stichwort Mehrdruck-Dampfturbinen vergeblich. Durch das Aufkommen der kombinierten Gas- und Dampfturbinenprozesses (Kombi-Kraftwerke; GuD-Kraftwerke) in der Kraftwerkstechnik rückte jedoch die Mehrdruck-Dampfturbine ins Blickfeld. Bei diesen Kraftwerkstyp wird die Abgaswärme der Gasturbine nochmals zur Stromerzeugung genutzt, indem in einem Abhitzekessel in der Regel mehrere Dampfmengen mit unterschiedlichen Drücken erzeugt werden und diese der Mehrdruck- Dampfturbine zur Stromerzeugung zugeführt werden. Gemäß dem praktizierten Stand der Technik wird die Hochdruckdampfmenge über einen Hochdruckteil der Turbine geführt, der Niederdruckdampf zugemischt und die Summenmenge aus Hochdruck- und Niederdruckdampf in einem Niederdruckteil der Turbine weiter bis zum Druck des Kondensators expandiert, wobei der Hochdruck und der Niederdruckteil auf einem gemeinsamen Turbinenrotor angeordnet sind und die Durchströmungen, bezogen auf die Rotorachse, geleichsinnig erfolgt. Diese Bauart hat aber einige Nachteile: an der Zumischstelle kommt es zu thermischen Belastungen, wenn der expandierte Hochdruckdampf und der zugemischte Niederdruckdampf nicht genau die gleiche Temperatur haben, weiteres wird bei einer Änderung der Durchströmmengen das 2/17 2...........Aktenzeichen • ·· · · · · » · · • · · · · φ ··· · · ♦·· • · · · ··· » · · · · · gesamten Druckverhältnisse in der»!ri>rfei«e*beeMiilirsst und schließlich addieren sich die Achsschübe wegen der gleichsinnigen Durchströmung der Turbinenteile auf, welche durch den Ausgleichskolben, der aber ungenutzte Leckage-Dampfmengen verursacht, teilweise kompensiert werden kann. Zusammenfassend weist diese auf den ersten Blick einfach erscheinende Turbinen-Bauart bei der Abweisung der Auslegungsparameter erhebliche Nachteile bezüglich der Wirkungsgradverluste und der Flexibilität auf.

So ist es nicht verwunderlich, dass in neuere Patentschriften Alternativen vorschlagen werden, um einige Nachteile des praktizierten Standes der Technik zu vermeiden. Die Patentschrift US5411365 schlägt strömungsmäßig getrennte Hoch-und Mitteldruckteile vor, die zwar auf einen gemeinsamen Rotor sitzen, aber in Bezug auf die Rotorachse gegenläufig durchströmt werden und zwischen den benachbarten Einlässen des Hochdruck-und des Niederdruckdampfes eine Trennvorrichtung vorsehen (eine Dichtung) vorsehen, welche die Überströmung des Hochdampfes zum Niederdruckteil verhindern soll. Damit entkoppelt man die Systeme des Hochdruck- und des Niederdruckteils und man die Achsschübe wegen durch die gegensinnige Durchströmung der Turbinenteile. Die Patentschrift EP0394894B1 beschreibt, basierend auf einer ähnlichen Anordnung, ein Temperatur-Management zur Minderung thermischer Belastungen, während die Patentschrift EP0926316B1 auch auf die Minderung der Innendruckbelastung der Turbine abzielt. Erkauft werden diese Verbesserungen durch eine Verkomplizierung durch die Trennvorrichtung, einer Dichtung, die zirka in der Mitte des Rotors, also von den beiden Turbinenlagern entfernt, ihren Dienst machen soll und durch die höhere Zahl der Turbinenstufen, da die Hoch- und die Niederdruckdampfmenge getrennt expandiert werden. 3/17 3 • · · · • ι · · · · « · · * »

•Aktenzeichen • · · · ··♦ »

einige zig bis hunderte MW Dampfturbinenleistung und für kontrollierte und abschnittsweise konstante Prozessparameter, geeignet erscheinen. Für die eingangs erwähnte Problemstellung, auch im Bereich von Klein-Dampfturbinen und für stark schwankende Prozessparameter ein leistbares und akzeptiertes Konzept für eine Mehrdruck-Dampfturbine anzubieten, schärft der bisherige Stand der Technik zwar das Problembewusstsein, er bietet aber keine spezifische Lösung an.

Die Erfindung vermeidet die angeführten Nachteile und ist dadurch gekennzeichnet, dass für jeden der Dampfströme mindestens ein eigene Düsenkasten bzw. eine eigene Düse vorgesehen ist, welch insgesamt auf einziges Turbinenlaufrad ausblasen und wirken. Weitere Kennzeichen sind in den Nebenansprüchen angeführt.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß den Zeichnungen näher erläutert. Die Figuren 1 bis 4 verdeutlichen den Erfindungsgedanken und die Ausführungsformen:

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Ausführungsform der Mehrdruck-Dampfturbine .

Fig. 2 zeigt den Grundriss der Ausführungsform des Schnittes AA gemäß der Fig. 1.

Fig. 3 zeigt die Schaufelgitter und die Geschwindigkeitsdreiecke bei der Ausführungsform gemäß der Fig. 1.

Fig. 4 zeigt eine Variante zu der Fig. 1.

Die Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Mehrdruck-Dampfturbine, ausgeführt als Zweidruck-Dampfturbine, beispielsweise mit einer 4/17 4...........Aktenzeichen • · · · · 1· * · · • * « · · %·· · · ··· • · · · · v% · · · · · senkrechten Turbinenwelle. Auf der Tvrrbirnenwelie *i , welche in das Turbinengehäuse 2 beim Wellendurchtritt mit Lagerung und Dichtung 3 eintritt ist die das Turbinenlaufrad 4 mit einer Laufschaufelreihe 5 angeordnet. Die Turbinenwelle 1 gibt außerhalb des Turbinengehäuses die mechanische Energie, beispielsweise an einem Generatorrotor 6 eines elektrischen Generators 7 mit dem Gegenlager 8, zum Zweck der Erzeugung elektrischer Energie ab.

Der Hochdruck- (HD-) Dampf tritt über dem HD-Dampfeinlass 9' , gegebenenfalls über eine HD-Wärmefalle 10' in das Turbinengehäuse 2 ein und strömt dem HD-Düsenkasten 11' zu, welcher seinerseits aus einem HD-Dampfverteiler 12' und den HD-Leitschaufeln 13' besteht; die Mitte der Leitschaufeln weist zur Turbinenwellenachse 17 den Radiusabstand r 27 auf. Bei kleinen Dampfdurchsätzen kann der Düsenkasten auch als eine einzelne Düse ausgeführt werden.

Analog tritt der der ND-Dampf tritt über dem ND-Dampfeinlass 9' ' , gegebenenfalls über eine ND-Wärmefalle 10'' in das Turbinengehäuse 2 ein und strömt dem ND-Düsenkasten 11'' zu, welcher seinerseits aus einem ND-Dampfverteiler 12'' und den ND-Leitschaufeln 13'' besteht.

In innovativer Weise ist also für jedes Druckniveau ein eigener Düsenkasten vorgesehen und die aus den Düsenkästen abströmenden Dampfmengen wirken auf die Laufschaufelreihe 5 des Turbinenlaufrades 4. Weiteres ist in innovativer Weise die Laufschaufelreihe 5 als Gleichdruck-Beschaufelung ausgeführt, das heißt das vor und nach der Laufschaufelreihe (etwa) gleiche Dampfdrücke herrschen (in der Laufschaufei findet nur mehr eine geringe oder keine Beschleunigung statt und der 5/17 5. .··. .·· .··. .'Aktenzeichen • · · · · ···· · ···· * · · ι··»* «· ·· · « · · · · ♦ * · · * t

Schaufeleintrittswinkel ßi ist in**etft% (Jleiöh ‘dem** Schaufelaustrittswinkel ß2, siehe Fig. 3). Der Abdampf fließt nach der Laufschaufelreihe über einen Abdampfaustritt 14 beispielsweise einem Abdampfkondensator 15 zu.

Die Fig. 2 zeigt den Schnitt AA der erfindungsgemäßen Mehrdruck-Dampfturbine der Fig. 1., ausgeführt als Zweidruck-Dampfturbine.

Der Hochdruck- (HD-) Dampf tritt über dem HD-Dampfeinlass 9' , gegebenenfalls über eine HD-Wärmefalle 10' in das Turbinengehäuse 2 ein und strömt dem HD-Düsenkasten 11' zu, wobei dieser torusförmig ist und mit einem Radiusabstand r' 27 zwischen der Laufschaufelmitte und der Turbinenwellenachse 17 angeordnet und sektorenförmig begrenzt ist; wegen der enormen Rückstoßkräfte des Düsenkastens ist ein Drehhalt 16' in Form einer thermoelastisch mit dem Turbinengehäuse verbundenen Strebe vorgesehen. Bei geringen Dampfdurchsätzen kann der Düsenkasten auch als eine einzelne Düse ausgeführt werden.

Analog wird mit dem ND-Dampf verfahren.

Da die heißen, dampfführenden Düsenkästen 11 nur über Wärmefallen 10 und Drehalte 16 mit dem Turbinengehäuse 2 verbunden sind, nimmt dieses etwa die Sättigungstemperatur des Abdampfes, also z. B. 50 °C bei einem Abdampfdruck von 0,1 bar abs.

Eine Vermischung der HD- und der ND-Abdampfströme erfolgt erst abdampfseitig nach der Laufschaufelreihe; dann haben aber die 6/17 6...........Aktenzeichen • · · · ♦ ·· · t t • · · · · VI ·· · i ··· • * · · ·· r% » t · · · beiden Dampf ströme nicht nur den*^levch«i *BtuekV*sondern auch die gleiche (Sättigungs-) Temperatur, sodass eine Vermischung ohne eine thermische Belastung und ohne Exergieverlust erfolgt.

Die Fig. 3 zeigt die „Schaufelgitter" der Leitschaufeln der Düsenkästen und der Turbinenlaufschaufeln. Die Schaufelgitter sind ein Schnitt durch den Zylinder mit dem Radiusabstand r 27 zwischen Leitschaufelmitte und der Turbinenwellenachse 17 und dem Radius (siehe Fig. 2). Der HD-Dampf strömt über den HD-Dampfeinlass 9' in den HD-Düsenkasten 11' , verteilt sich im HD-Dampfverteiler 12' und strömt über die HD-Leitschaufeln 13' und verlässt diese unter dem HD-Düsenwinkel txi 18 ' . Bei kleinen Dampfdurchsätzen kann sich der HD-Düsenkasten 11' zu einer einzigen Düse reduzieren, welche in der Regel wegen des überkritischen Druckverhältnisses vor und nach der Düse > 1,75 ... 1,90 als LAVAL-Düse, also mit einem konvergenten Querschnitt, einem engsten Querschnitt und einem divergierenden Querschnitt ausgeführt ist. Abhängig vom adiabaten Gefälle des Dampfes zum Druck am Austritt aus den Leitschaufeln ergibt sich die Absolute HD-Düsengeschwindigkeit Ci 19' , verlustlos gerechnet zu d = (2*Gefälle) °'5.

Die Geschwindigkeitsvektoren im Schaufelgitter („Geschwindigkeitsdreiecke") sind im rechten, unteren Teilbild dargestellt. Die HD-Düsengeschwindigkeit Ci 19' vermindert sich vektoriell um die Umfangsgeschwindigkeit u 20 der Laufschaufelreihe 5 zur Relativen HD-Eintrittsgeschwindigkeit wi 21' und tritt unter dem HD-Schaufeleintrittswinkel ßi 22' (da einstoßfreier und verlustarmer Eintritt vorausgesetzt wird) in die Laufschaufelreihe 5 ein. Die Leitschaufelreihe 5 lenkt den Dampfstrom gemäß dem HD-Schaufelaustrittswinkel p2 23' ab, sodass der Dampfstrom die Laufschaufelreihe 5 mit der Relativen HD-Austrittsgeschwindigkeit W2 24' verlässt; diese Relative HD-Austrittsgeschwindigkeit W2 24' vermindert sich vektoriell um die 7/17 7.

Umfangsgeschwindigkeit u Austrittsgeschwindigkeit C2 25' a2 26' aufweist. • · · • · · · · * · · · • · · · •Aktenzeichen ^ · 20 zur'*t Absolut eff)' 'Hü-·· welche den HD-Austrittswinkel

Wie die Fig. 3 im linken Teilbild zeigt, strömt analog zum HD-Dampf der ND-Dampf über den ND-Dampfeinlass 9'' in den ND-Düsenkasten 11'' , verteilt sich im ND-Dampfverteiler 12'' und strömt über die ND-Leitschaufeln 13'' und verlässt diese unter dem ND-Düsenwinkel αχ 18''. Die „Geschwindigkeitsdreiecke" sind im linken, unteren Teilbild dargestellt. Die ND-Düsengeschwindigkeit Ci 19'' vermindert sich vektoriell um die Umfangsgeschwindigkeit u 20 der Laufschaufelreihe 5 zur Relativen ND-Eintrittsgeschwindigkeit wx 21'' und tritt unter dem ND-Schaufeleintrittswinkel ßi 22 '' in die Laufschaufelreihe 5 ein. Die Leitschaufelreihe 5 lenkt den Dampfström gemäß dem ND-Schaufelaustrittswinkel b2 23'' ab, sodass der Dampfstrom die Laufschaufelreihe 5 mit der Relativen ND-

Austrittsgeschwindigkeit w2 24'' verlässt; diese Relative ND-Austrittsgeschwindigkeit w2 24'' vermindert sich vektoriell um die Umfangsgeschwindigkeit u 20 zur ND-Austrittsgeschwindigkeit c2 25'' , welche den ND-Austrittswinkel a2 26'' aufweist.

Wie aus der Fig. 3 ersichtlich kann der ND-Düsenwinkel (Xi 18'' in erfinderischer Weise kleiner als der HD-Düsenwinkel αχ 18' gewählt werden, indem der ND-Schaufeleintrittswinkel βχ 22'' und der HD-Schaufeleintrittswinkel βχ 22' gleich groß ist, womit die ND- und die HD-Dampfströme mit der gemeinsamen Laufschaufelreihe und dem gemeinsamen Turbinenlaufrad ohne Eintrittsstoß in mechanische Energie umgesetzt werden können. Die Abströmverhältnisse nach dem Turbinenlaufrad bleiben letztlich aber unterschiedlich. Die daraus resultierenden Verluste sind meist so gering, dass sie durch den verminderten Reibungsverlust 8/17 8 .......... .Aktenzeichen • · · · * · · t ·· • · · · · · ··· · · *♦· * » · o ··· · ψ ψ : · · am zweifach genutzten Turbinenlaufrad meist·*ufee*rk®mpensiert wird.

Fig. 4 zeigt eine weitere, zusätzliche Variante. Gegenüber der Fig. 1 sowie der Fig. 2 sind die Düsenkästen 11' und 11'' nicht in Sektoren, sondern konzentrisch zur Turbinenwellenachse 17 angeordnet, wobei der ND-Düsenkasten 11'' mit dem Radiusabstand r'' 27'' näher zur Turbinenwellenachse 17 angeordnet ist als der HD-Düsenkasten 11' mit dem Radiusabstand r' 27'. Wählt man insbesondere (r"/r') = (ci"/ci') = (HD-Gefälle/ND-Gefälle) 0,5 so sind die Geschwindigkeitsdreiecke für den HD- und den ND-Teil ähnlich, das heißt die Winkel für diese sind ident: damit gelingt es, auch bei den Abströmverhältnissen nach dem Turbinenlaufrad durchgehend optimale Verhältnisse zu schaffen. Die längeren Laufschaufeln 5 am Turbinenlaufrad 4 verbessern den Turbinenwirkungsgrad weiter.

Aus den Betrachtungen geht hervor, dass bei den unterschiedlichen Dampfströmen, die in der Turbine expandiert werden sollen, das jeweilige adiabate Gefälle den Winkel und den Radius des Düsenkasten bestimmt, wobei der jeweilige Dampfdruck meistens den dominierenden Einfluss hat. Es kann der kuriose Fall eintreten, dass zwei Dampfströme zwar den gleichen Druck haben, aber unterschiedliche Überhitzungsgrade und/oder Konzentrationen und damit unterschiedliche Adiabate Gefälle aufweisen. Die erfindungsgemäße Mehr-„Gefälle"-Turbine kann derartige Dampfströme anstandslos verkraften, während Mehrdruck-Dampfturbinen nach dem praktizierten Stand der Technik dazu nicht in der Lage sind. 9/17 9·· .........Aktenzeichen • · t · · t · · ·· • i · t · ···· · ···· • · · # ♦ « v · » · o • ♦ ♦ . ♦,# · · · · ·

Nach den Betrachtungen liegt es nahe,· nti?cm? nurr zwei, sondern drei oder noch mehr Dampfströme in der erfindungsgemäßen Dampfturbine zu expandieren, da der zusätzliche Aufwand - anders als bei den Turbinen nach dem Stand der Technik -verhältnismäßig gering ist. Hingegen wird der thermodynamisch Vorteil bei mehr als drei Dampfströmen mit unterschiedlichen Gefällen zunehmend geringer, sodass auch hier Grenzen gesetzt sind.

In der Fig. 1 ist das Turbinenlaufrad fliegend angeordnet, was bei der erfindungsgemäßen Dampfturbine vorteilhaft ist. Bei der gezeigten direkten Koppelung der Turbine mit dem schnelllaufenden Elektrischen Generator findet man mit einer zweifachen Lagerung der Turbinenwelle das Auslangen. Die horizontale Anordnung der Turbinenlaufrades Vermindert die Gefahr seines thermischen Verziehens im Stillstand durch Temperaturschichtung. 10/17

1 Turbinenwelle 2 Turbinengehäuse 3 Wellendurchtritt mit Lagerung und Dichtung 4 Turbinenlaufrad 5 Laufschaufelreihe 6 Generatorrotor 7 Elektrischer Generator 8 Gegenlager 9 Dampfeinlass (HD ...', ND ... '') 10 Wärmefalle (HD ...', ND ... ") 11 Düsenkasten (HD ...ND ... ' ') 12 Dampfverteiler (HD ...', ND ... '') 13 Leitschaufeln (HD ...', ND ... '') 14 Abdampfaustritt 15 Abdampfkondensator 16 Drehhalt (HD ...', ND ... '') 17 Turbinenwellenachse 18 Düsenwinkel cg (HD ...', ND ... '') 19 Düsengeschwindigkeit Ci (HD ...', ND ... ' ') 20 Umfangsgeschwindigkeit u (HD ...', ND ... '') 21 Relative Eintrittsgeschwindigkeit wi (HD ...', ND ... '') 22 Schaufeleintrittswinkel ßi (HD ...', ND ... '') 23 Schaufelaustrittswinkel ß2 (HD ...', ND ... '') 24 Relative Austrittsgeschwindigkeit w2 (HD ...', ND ... ' ') 25 Austrittsgeschwindigkeit c2 (HD ...ND ... '') 26 Austrittswinkel a2 (HD ...ND ... ' ') 27 Radiusabstand r zwischen Leitschaufelmitte und Turbinenwellenachse (HD ...', ND ... '') 11 /17

Georg Beckmann

Claims (9)

10- .........Aktenzeichen • ι · · · · · · · • · · ι · ···· · ···· * »· * , » « · · · « , . ♦ ·!..·, * · ·· ·· · Patentansprüche ·· *· ·· 1. Mehrdruck-Dampfturbine zur Krafterzeugung, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Dampfströme mindestens ein eigene Düsenkasten (11', 11'') bzw. eine eigene Düse vorgesehen ist, welche gemeinsam auf die Laufschaufelreihe (5) des einzigen Turbinenlaufrades (4) ausblasen und wirken.

2. Mehrdruck-Dampfturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufeln (5) des Turbinenlaufrades (4) eine Gleichdruck-Beschaufelung aufweist, bei welcher der Schaufeleintrittswinkel (22) und der Schaufelaustrittswinkel (22) etwa gleich groß sind (Fig. 3).

3. Mehrdruck-Dampfturbine nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenkästen (11), bezogen auf die Turbinenwellenachse (17), in Sektoren angeordnet sind und die Radiusabstände (27)' und (27'') gleich sind (Fig. 2).

4. Mehrdruck-Dampfturbine nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenwinkel des ND-Düsenkastens (18'') kleiner ist als der Düsenwinkel des HD-Düsenkastens (18') (Fig. 3) .

5. Mehrdruck-Dampfturbine den nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenkästen (11), bezogen auf die Turbinenwellenachse, konzentrisch angeordnet sind und der Radiusabstand (27'') des ND-Düsenkastens (11'')zur Turbinenwellenachse (17) kleiner ist als der Radiusabstand (27') des HD-Düsenkastens (11') (Fig. 4).

6. Mehrdruck-Dampfturbine den nach den Ansprüchen 1, 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Verhältnis des Radiusabstandes (27') zwischen Leitschaufelmitte des HD-Düsenkastens (11') zur Turbinenwellenachse (17) zum Radiusabstandes (27'') des ND-Düsenkastens (11'') wie die Wurzel aus dem Verhältnis des adiabaten Gefälle des HD-DampfStroms zum adiabaten Gefälle des ND-DampfStroms verhält. 12/17 11........ .. .Aktenzeichen • · · ·· ι · · · « • ·· · ♦ « · · · · ·«·· • * · * . · · « · «

7. Mehrdruck-Dampfturbine nacbr*def? Ansprüchen*·!* bis 6, dadurch gekennzeichnet, das Turbinenlaufrad (4) fliegend angeordnet ist (Fig. 1).

8. Mehrdruck-Dampfturbine nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, das Turbinenlaufrad (4) horizontal angeordnet ist (Fig. 1).

9. Mehrdruck-Dampfturbine nach den Ansprüchen 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, das die Düsenkästen 11 nur über Wärmefallen 10 und Drehalte 16 mit dem Turbinengehäuse 2 verbunden sind (Fig. 2) . 13/17