Kühlmöglichkeit für Strömungsmaschinen

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere Dampfturbine, umfassend einen drehbar gelagerten Rotor und ein um den Rotor angeordnetes Gehäuse, wobei zwischen dem Ro ^¬ tor und dem Gehäuse ein in eine erste Richtung weisender ers- ter Strömungskanal und ein in einer zweiten Strömungsrichtung weisender zweiter Strömungskanal angeordnet ist, wobei zwischend dem ersten und dem zweiten Strömungskanal eine meh ^¬ rere Spitzen umfassende Labyrinthdichtung angeordnet ist. Strömungsmaschinen im Sinne dieser Erfindung sind beispielsweise Dampfturbinen, Gasturbinen oder Verdichter, wobei sich die Erfindung vorzugsweise auf Dampfturbinen bezieht. Strö ^¬ mungsmaschinen zeichnen sich durch ein Strömungsmedium aus. Unter der Sammelbezeichnung Strömungsmaschinen werden Wasser- turbinen, Dampf- und Gasturbinen, Windräder, Kreiselpumpen und Kreiselverdichter sowie Propeller zusammengefasst . Allen diesen Maschinen ist gemeinsam, dass sie dem Zweck dienen, einem Fluid Energie zu entziehen, um damit eine andere Ma ^¬ schine anzutreiben oder umgekehrt, einem Fluid Energie zu- zuführen, um dessen Druck zu erhöhen. In Strömungsmaschinen ist die Energieumsetzung indirekt und nimmt vorzugsweise den Weg über die kinetische Energie des Fluids.

In Strömungsmaschinen, wie z. B. in Dampfturbinen, strömt im Betrieb ein Strömungsmedium in einer Hauptströmungsrichtung, die im Wesentlichen der Richtung der Rotationsachse entspricht. Das Strömungsmedium soll idealerweise lediglich durch einen so genannten Strömungskanal strömen, der so genannte Leit- und Laufschaufeln aufweist. Üblicherweise wird der Strömungskanal aus verschiedenen hintereinander angeordneten Leit- und Laufschaufeln gebildet. Das Strömungsmedium strömt durch den Strömungskanal an den Leit- und Laufschau ^¬ feln vorbei, wobei die kinetische Energie in Rotationsenergie umgewandelt wird, was zu einer Rotation des Rotors führt. Da eine Bewegung des Rotors in einem Gehäuse stattfindet, sind Spalte zwischen dem Gehäuse und dem Rotor vorhanden, die so gering wie möglich ausgeführt werden sollten. Dennoch können Spalte nicht vermieden werden, was zu einer unerwünschten Strömung durch die Spalte führt. Die unerwünschte Strömung ergibt sich aus der Hauptströmung, wobei ein Teil aus der Hauptströmung abzweigt und durch den Spalt strömt. Diese Spaltströmung kann als Sekundärströmung bezeichnet werden, wobei es Ziel bei jeder Auslegung einer Strömungsmaschine ist, die Sekundärströmung so gering wie möglich zu halten. Daher existieren verschiedene Ansätze, um die Sekundärströ ^¬ mung zu minimieren. Ein erster Ansatz besteht darin, sogenannte Dichtlippen zwischen den rotierenden und den festste- henden Komponenten anzuordnen. Die Dichtlippen sind rotationssymmetrisch angeordnet und wirken sozusagen als Barriere für die Sekundärströmung. Somit wird eine im Wesentlichen zur Hauptströmung strömende Sekundärströmung abgebremst. Es sind Dampfturbinen als Ausführungsform einer Strömungsmaschine bekannt, die zwei Fluten aufweist. Das bedeutet, dass eine solch ausgebildete Dampfturbine einen ersten Strö ^¬ mungskanal aufweist und entgegengesetzt zu einem zweiten Strömungskanal angeordnet ist. Solche Dampfturbinen zeichnen sich durch zwei Einströmungsbereiche auf. Einen ersten Ein ^¬ strömbereich für den ersten Strömungskanal und einen zweiten Einströmungsbereich für den zweiten Strömungskanal. Des Weiteren zeichnet sich eine solche Dampfturbine dadurch aus, dass ein gemeinsamer Rotor einen Beschaufelungsbereich für den ersten Strömungskanal und einen zweiten Beschaufelungs ^¬ bereich für den zweiten Strömungskanal aufweist. Zwischen den Beschaufelungsbereichen ist ein sogenannter Zwischenboden angeordnet, der eine Oberfläche aufweist, die möglichst dicht an ein um den Rotor angeordnetes Gehäuse angeordnet werden muss. Ein Spalt zwischen dem Zwischenboden und dem Gehäuse sollte möglichst gering sein, weil ein im ersten Einströmbereich einströmender Dampf teilweise durch diesen Spalt strömen kann und in den zweiten Einströmungsbereich des zwei- ten Strömungskanals einströmen kann. Daher werden solche Spalte mit sogenannten Labyrinthdichtungen ausgeführt.

Labyrinthdichtungen weisen sogenannte Spitzen auf, die sowohl auf der Oberfläche des Rotors als auch auf der Innenoberflä- che des Gehäuses angeordnet sind. Labyrinthdichtungen sind im Stand der Technik bekannt und müssen hier nicht weiter ausge ^¬ führt werden.

Rotoren weisen des Weiteren im Einströmbereich sogenannte Entlastungsnuten auf. Solche Entlastungsnuten sind durch einen geringeren Radius charakterisiert. Für die vorgenannten Dampfturbinen sind die Wellentemperaturen in der Entlastungsnut begrenzend für die Lebensdauer der Welle. Des Weiteren ist die Wellentemperatur ebenfalls begrenzend für die durch- leitbare Leistung der Welle. Daher werden große Anstrengungen unternommen, die Temperatur möglichst weit abzusenken. An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, eine weitere Möglichkeit anzugeben, die Temperatur in der Entlastungsnut zu verringern.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Strömungsmaschine, ins ^¬ besondere Dampfturbine, umfassend einen drehbar gelagerten Rotor und ein um den Rotor angeordnetes Gehäuse, wobei zwi ^¬ schen dem Rotor und dem Gehäuse ein in eine erste Richtung weisender erster Strömungskanal und ein in einer zweiten

Strömungsrichtung weisender zweiter Strömungskanal angeordnet ist, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Strömungskanal eine mehrere Spitzen umfassende Labyrinthdichtung angeordnet ist, wobei in der zweiten Strömungsrichtung gesehen nach ei- ner letzten Spitze eine Umlenkleiteinrichtung angeordnet ist, die derart ausgebildet ist, dass ein in axialer Richtung in der Labyrinthdichtung strömender Leckdampf zumindest teilweise in Umfangsrichtung des Rotors ablenkbar ist. Mit der Erfindung wird somit eine Abkühlmöglichkeit angebo ^¬ ten, die vergleichsweise günstig herstellbar ist und sich durch eine Umlenkleiteinrichtung auszeichnet. Die Umlenkleit ^¬ einrichtung erzeugt einen Drall des strömenden Leckdampfes im Bereich der Entlastungsnut und kann die Temperatur an der Wellenoberfläche in der Entlastungsnut weiter absenken. Hier ^¬ bei wird der aus der Labyrinthdichtung ausströmende Leckdampf durch die Umlenkleiteinrichtung in die Wellenrotationsrich- tung umgelenkt.

Mit der Erfindung wird somit eine hohe kinetische Energie de Leckdampfes am Austritt der Labyrinthdichtung eines großen Zwischenbodens ausgenutzt und diese zu Kühlmöglichkeiten aus genutzt .

Durch die Verringerung der Wellentemperatur an der Oberfläche der Entlastungsnut kann die durchleitbare Leistung durch die Entlastungsnut erhöht werden. Des Weiteren kann die erreichbare geringere Temperatur in der Entlastungsnut auch für eine Kühlwirkung an einer ersten Laufschaufelnut führen. Dies würde zu einer geringeren Auslastung und dadurch zu einer Verbesserung in der Schaufelauslegung führen. Die Umlenkleiteinrichtung weist mehrere auf dem Umfang verteilte Umlenkelemente auf. Dadurch wird der Effekt verstärkt, indem eine passende Anzahl von Umlenkelementen auf dem Umfang verteilt wird. Die Umlenkleiteinrichtung hat die Aufgabe, die in der Labyrinthdichtung strömende LeckdampfStrömung umzulen- ken und dadurch einen Drall zu erzeugen, der dazu führt, dass der Leckdampf in eine Wellenrotationsrichtung umgelenkt wird. Die Anzahl der Umlenkelemente sollte passend gewählt werden.

Die Umlenkelemente sind zunächst in axialer Richtung, die in die Rotationsrichtung zeigt, gerichtet ausgebildet und an ^¬ schließend weisen die Umlenkelemente einen Bogen auf, der in die Umfangsrichtung zeigt.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind m den Unteransprüchen a gegeben .

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind die Umlenkelemente gebogen ausgeführt. Aus strömungstechnischen Gründen ist es vorteilhaft, eine Biegung der Umlenkelemente zu berücksichtigen, um dadurch möglichst geringe Strömungs ^¬ verluste zu haben. Dabei kann der Bogen eine parabelförmige Kontur aufweisen. Es ist auch eine kreisförmige Kontur denk- bar .

Somit sind in einer vorteilhaften Weiterbildung die Umlenkelemente derart ausgebildet, dass eine Umlenkung um 90° er ^¬ folgt. Darunter ist zu verstehen, dass der Leckdampfström im Wesentlichen in axialer Richtung strömt und dazu um 90° umgelenkt wird, was im Wesentlich der Umfangsrichtung entspricht.

Die Umlenkelemente können in einer vorteilhaften Weiterbil ^¬ dung profiliert ausgebildet sein. Das bedeutet, dass die Um- lenkelemente eine leitschaufelförmige Kontur aufweisen. Die leitschaufelförmige Kontur führt dazu, dass eine Strömung um ^¬ gelenkt und beschleunigt wird, was zu dem vorgenannten Effekt der Abkühlung führt. In vorteilhafter Weiterbildung sind die Umlenkelemente als eine Leitschaufelstufe ausgebildet.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmal und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben.

Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht maßgeblich darstel ^¬ len, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der in der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Es zeigen:

Figur 1 Querschnittsansicht einer Strömungsmaschine,

Figur 2 Querschnittsansicht eines vergrößerten Teils

Figur 1,

Figur 3 eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen

Anordnung,

Figur 4 eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Anordnung.

Die Figur 1 zeigt eine Dampfturbine als Ausführungsform einer Strömungsmaschine und weist ein Außengehäuse 2 auf, das um einen Rotor 3 angeordnet ist, der drehbar um eine Rotationsachse 4 gelagert ist. Um den Rotor 3 ist ein Innengehäuse 5 angeordnet. Die Dampfturbine 1 weist einen Hochdruckteil 6 und einen Mitteldruckteil 7 auf. Der Hochdruckteil 6 weist einen Hochdruckeinströmbereich 8 auf, durch den ein Hochdruckfrischdampf einströmt. Der Hochdruckfrischdampf strömt anschließend durch in einer ersten Richtung 9 ausgerichteten ersten Strömungskanal 10, der auch als Hochdruckströmungs ^¬ kanal bezeichnet werden kann. Die thermische Energie des Dampfes im ersten Strömungskanal 10 wird in Rotationsenergie des Rotors 3 umgewandelt. Der Dampf strömt anschließend aus dem Hochdruckausströmbereich 11 und von dort ggf. zu einem Zwischenüberhitzer (nicht dargestellt) . Danach strömt der Dampf als Mitteldruckeinströmdampf in einen Mitteldruckein- Strömbereich 12. Nach dem Einströmen in den Mitteldruckein- strömbereich 12 strömt der Dampf in einen in eine zweite Richtung 13 weisenden zweiten Strömungskanal 14. Nach dem zweiten Strömungskanal 14 strömt der Dampf über einen Mittel- druckausströmbereich 15 aus der Strömungsmaschine heraus. Der Rotor 3 weist im Bereich des Hochdruckeinströmbereichs 8 eine Entlastungsnut 16 auf, die dadurch charakterisiert werden kann, dass der Rotor 3 an dieser Stelle in einem bestimmten axialen Bereich einen geringeren Radius aufweist als der Be- reich davor und dahinter. Ebenso weist im Bereich des

Mitteldruckeinströmbereichs 12 der Rotor 3 ebenfalls eine Entlastungsnut 17 auf, die ebenfalls dadurch charakterisiert werden kann, dass der Rotor 3 in einer gewissen axialen Länge einen geringeren Radius aufweist als der Rotor 3 vor der Entlastungsnut 17 und hinter der Entlastungsnut 17 in der zwei ^¬ ten Richtung 13 aus gesehen. Im Betrieb strömt ein Frischdampf im Hochdruckeinströmbereich 8 herein und strömt zum größten Teil durch den ersten Strömungskanal 10, der mit nicht näher dargestellten Leit- und Laufschaufeln ausgebildet ist. Ein unerwünscht geringer Teil des Hochdruckfrischdampfes strömt durch einen Spalt zwischen dem Innengehäuse 5 und dem Rotor 3 in einen mittleren Bereich 18. Im mittleren Bereich 18 weist der Rotor 3 einen Radius bestimmter Länge auf und bildet einen sogenannten großen Zwischenboden 19. Der Spalt zwischen dem Innengehäuse 5 und dem großen Zwischenboden 19 sollte möglichst dampfdicht ausgebildet sein und weist daher, wie in Figur 2 dargestellt, eine Labyrinthdichtung 25 auf. Die Labyrinthdichtung 25 umfasst mehrere Labyrinthdichtungs- Segmente 20 auf, die federnd in Labyrinthdichtungsnuten 21 angeordnet sind. Die Labyrinthdichtungssegmente 20 können so ^¬ mit in einer radialen Richtung 34 bewegt werden. Auf der Oberfläche des großen Zwischenbodens 19 sind, wie bei Laby ^¬ rinthdichtungen 25 üblich, sogenannte Spitzen 22 angeordnet. Die Spitzen 22 werden auch als Dichtlippen bezeichnet oder ähnlich. Im Labyrinthdichtungssegment 20 hingegen ist eben ^¬ falls eine Spitze 23 bzw. Dichtlippe angeordnet. In einer axialen Richtung 24 sind die Spitzen 22 und 23 nacheinander ausgebildet, was in der Figur 3 nochmal gesondert dargestellt ist.

Die Figur 3 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung. Die Figur 2 hingegen zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus Figur 1 und zwar den mit dem Oval gekennzeichneten Teil der Strö- mungsmaschine 1. Wie nun in Figur 1 dargestellt, kann der

Mitteldruckdampf aus dem Mitteldruckeinströmbereich 8 durch den Spalt durch die Labyrinthdichtung 25 zum Mitteldruckeinströmbereich 12 gelangen. Dieser Leckstrom sollte möglichst klein gehalten werden. Jedenfalls weist der in die Entlas ^¬ tungsnut 17 ausströmende Leckstrom eine vergleichsweise hohe Temperatur auf, die zu einer Schädigung des Rotors 3 in der Entlastungsnut 17 führen kann. Erfindungsgemäß wird dies hier verhindert, indem wie in Figur 3 ersichtlich, eine Umlenkleiteinrichtung 26 nach einer letzten Spitze 27 angeordnet ist und die derart ausgebildet ist, dass ein in der axialen Richtung 24 strömender Leckdampf zumindest teilweise in Um- fangsrichtung 28 des Rotors umgelenkt wird. Die Umlenkleit- einrichtung 26 weist mehrere in der Umfangsrichtung 28 angeordnete Umlenkelemente 29 auf. Diese Umlenkelemente 29 können gebogen ausgeführt sein. Das bedeutet, dass die Umlenkele ^¬ mente 29 zunächst in der axialen Richtung 24 gerichtet gerade ausgebildet sind und anschließend einen Bogen 30 aufweisen, der in die Umfangsrichtung 28 schließlich in einen Endbereich 31 zeigt. Die Umlenkelemente 29 sind hierbei derart ausgebil ^¬ det, dass die Umlenkung um 90° erfolgt, das bedeutet, dass die Umlenkelemente 29 zunächst in axialer Richtung 24 paral ^¬ lel in einem Anfangsbereich 32 ausgebildet sind und im Endbe- reich 31 parallel zur Umfangsrichtung 28 ausgebildet sind. Dabei kann in alternativen Ausführungsformen der Endbereich 31 nicht zwingend parallel zur Umfangsrichtung 28 ausgebildet sein. Der Endbereich 31 und die Umfangsrichtung 28 können um einen Winkel (wobei zwischen 0° und 40° liegt) zueinander geneigt sein.

In alternativen Ausführungsformen können die Umlenkelemente 29 profiliert ausgebildet sein, das bedeutet, dass in einer Querschnittsansicht (nicht dargestellt) die Umlenkelemente eine Leitschaufelform aufweisen und die Strömung, die zwischen den Umlenkelementen sich befindet, beschleunigt.

Durch die Beschleunigung des Leckagedampfes erhöht sich die kinetische Energie und die Temperatur sinkt. Somit wird die Temperatur in der Entlastungsnut 17 verringert. In einer ers ^¬ ten Ausführungsform kann der umgelenkte Leckagedampf mit einem Mitteldruckfrischdampf, der durch den Mitteldruckein- strömbereich 12 strömt, vermischt werden. In weiteren Ausfüh- rungsformen weist die Strömungsmaschine 1 einen Diagonalring 33 auf, der als erste Leitschaufelstufe wirkt und den Mittel- druckfrischdampf direkt in den zweiten Strömungsbereich 14 umlenkt, ohne dass dabei ein Dampf zur Entlastungsnut 17 ge ^¬ langt. In einer alternativen Ausführungsform kann eine sogenannte Drallkühlung in dem Diagonalring 33 berücksichtigt werden, die einen Dampf aus dem Mitteldruckeinströmbereich in die Entlastungsnut 17 strömt, wobei dieser Dampf durch die Drallkühlung abgekühlt ist. Der Diagonalring 33 weist hierzu mehrere Düsen auf, die eine strömungstechnische Verbindung zwischen dem Mitteldruckeinströmbereich 12 und der Entlastungsnut 17 darstellt.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge ^¬ schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .