Beheizbare Schubstange für eine Dampfturbine

Die Erfindung betrifft eine Anordnung umfassend eine erste Teilturbine mit einem ersten Rotor und einem ersten Gehäuse, eine zweite Teilturbine mit einem zweiten Rotor und einem zweiten Gehäuse und eine Schubstange, die das erste Gehäuse mit dem zweiten Gehäuse miteinander verbindet.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Dampfturbine, wobei die Dampfturbine mindestens zwei Teilturbinen umfasst, wobei jeweils eine Teilturbine ein Gehäuse und einen Rotor aufweist und die Gehäuse über Schub ^¬ stangen miteinander gekoppelt sind.

Dampfturbinen weisen in der Regel mehrere Teilturbinen auf und sind für Dampfparameter ausgelegt, die bis zu 630 °C bei einem Druck von 350 bar aufweisen. Solch hohe Dampfparameter stellen eine Herausforderung für die gesamte Dampfturbine dar. Thermische Ausdehnungseffekte führen dazu, dass Spiele vergrößert oder verkleinert werden zwischen dem Gehäuse und dem Rotor. Der Wellenstrang einer Dampfturbine kann sich im Betrieb thermisch stärker ausdehnen als die Gehäuse. Durch die Notwendigkeit solch einen axialen Versatz zuzulassen und durch die teilweise konische Form der Gehäuse ergeben sich höhere Spaltverluste. Daher werden die Gehäuseteile mittels Schubstangen miteinander gekoppelt. Das bedeutet, dass durch die starre Kopplung mit den Schubstangen eine Bewegung eines Gehäuses zu einer Bewegung des benachbarten Gehäuses führt, die über die Schubstange miteinander verbunden sind. Gemäß dem Stand der Technik behalten die Schubstangen ihre Länge bei, so dass der Rotor aufgrund seiner höheren Temperatur weiterhin einen axialen Versatz gegenüber dem Gehäuse erfährt . Durch hydraulische Systeme könnte der axiale Versatz der Ge ^¬ häuse an die Position der Wellen angepasst werden. Allerdings trägt solch ein aktiv gesteuertes System den Nachteil, dass im Falle eines Ausfalls des Systems ein Schaden an der Dampf- turbine zu erwarten wäre, da die Spielreserve verringert wird, um die Spalte zu verkleinern.

Aus der EP 2 554 801 AI ist es bekannt, Schubstangen zu be ^¬ heizen, damit über eine thermische Ausdehnung der Schubstan- gen die Gehäuse gegenüber dem Rotor bewegt werden können.

Durch eine Reduktion des axialen Versatzes könnte eine Zu ^¬ nahme des inneren Turbinenwirkungsgrades erreicht werden. Aufgabe der Erfindung ist es daher, den Dampfturbinenwir- kungsgrad zu erhöhen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Anordnung umfassend eine erste Teilturbine mit einem ersten Rotor und einem ersten Ge- häuse, eine zweite Teilturbine mit einem zweiten Rotor und einem zweiten Gehäuse und eine Schubstange, die das erste Ge ^¬ häuse mit dem zweiten Gehäuse miteinander verbindet, wobei die Schubstange hohl ausgeführt ist, wobei der Versorgungs ^¬ dampfkanal einen Heizdampfauslass aufweist, wobei der Heiz- dampfauslass mit dem ersten oder zweiten Rotor geschlossen und geöffnet werden kann, wobei der erste und/oder zweite Ro ^¬ tor einen ersten Bereich mit einem ersten Radius aufweist und der erste Bereich in Folge einer thermischen Ausdehnung des Rotors den Heizdampfauslass verschließt oder öffnet.

Des Weiteren wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Dampfturbine, wobei die Dampfturbine mindes ^¬ tens zwei Teilturbinen umfasst, wobei jede Teilturbine je ^¬ weils ein Gehäuse und einen Rotor aufweist, wobei die Gehäuse über Schubstangen miteinander gekoppelt werden und die Schubstangen hohl ausgeführt werden, wobei in den Hohlraum Heizdampf zum thermischen Ausdehnen der Schubstange einströmt. Die Erfindung verfolgt den Weg, die Schubstange zu beheizen, um dadurch eine thermische Ausdehnung der Schubstange zu er ^¬ möglichen. Mit der Längenausdehnung der Schubstange gewinnt man einen weiteren Parameter, um die Gehäuse- und Rotorteile optimal zueinander zu positionieren. Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung ist es, die hohl ausgeführte Schubstange mit einem Heizdampf zu beaufschlagen. Dieser Heizdampf könnte an einer geeigneten Stelle aus der Dampfturbine entnommen werden .

Die Erwärmung der Schubstange erfolgt erfindungsgemäß nicht ungeregelt, sondern abhängig von der Position des Läufers. Der Heizdampfzu- oder -abfluss sollte so positioniert sein, dass dieser durch den Rotor behindert wird, wenn die Gehäuse ^¬ verschiebung in etwa der Rotorverschiebung entspricht.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben . In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung ist die Anordnung mit einem Versorgungsdampfkanal und einer Versorgungsquelle, die zum Versorgen von Heizdampf im Versorgungsdampfkanal aus ^¬ gebildet ist, ausgebildet, wobei der Hohlraum der Schubstange strömungstechnisch über den Versorgungsdampfkanal mit der Versorgungsdampfquelle verbunden ist.

Die Versorgungsdampfquelle könnte beispielsweise ein Dampf aus dem Prozess sein, wie zum Beispiel der Abdampf einer Teilturbine. Dieser Dampf wird über einen Versorgungsdampf- kanal in den Hohlraum der Schubstange geführt und führt somit zu einer thermischen Ausdehnung.

Vorteilhafterweise ist der Versorgungsdampfkanal im ersten und/oder im zweiten Gehäuse angeordnet.

Der Versorgungsdampfkanal kann in einer ersten Näherung als eine Bohrung mit einem Heizdampfauslass betrachtet werden. Erfindungsgemäß wird dieser Heizdampfauslass durch den Rotor verdeckt. Bei einer Inbetriebnahme der Dampfturbine kann der Rotor sich ausdehnen und dadurch die Bohrung freilegen, was dazu führt, dass der Heizdampfauslass geöffnet wird und somit eine Versorgung des Hohlraums der Schubstange mit Heizdampf aus dem Versorgungsdampfkanal erfolgen kann. Durch das Aus ^¬ dehnen der Schubstange erfolgt zwangsläufig eine Bewegung des Gehäuses, was dazu ausgenutzt werden kann, die Bohrung bzw. den Heizdampfauslass durch eine Abdeckung mit dem Rotor wie ^¬ der zu schließen.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale 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 Zeichnungen beschrieben. Diese soll die Ausführungsbei- spiele nicht maßgeblich darstellen, 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: eine Querschnittansicht einer Dampfturbine,

eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Anordnung, eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Anordnung, eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Anordnung, eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Anordnung.

Die Figur 1 zeigt in einer Querschnittsansicht eine Dampftur bine 1. Die Dampfturbine umfasst eine erste Teilturbine 2a, eine zweite Teilturbine 2b, eine dritte Teilturbine 2c und eine vierte Teilturbine 2d. Die erste Teilturbine 2a ist als eine Hochdruckteilturbine ausgebildet und weist einen Hoch- druck-Dampfeinlass 3 und einen Hochdruck-Dampfauslass 4 auf. Ein Frischdampf strömt vom Hochdruck-Dampfeinlass 3 durch ei ^¬ ne Beschaufelung 5 zum Hochdruck-Dampfauslass 4. Nachdem der Dampf die Hochdruck-Teilturbine durchströmt hat, wird er in einem Zwischenüberhitzer (nicht dargestellt) erhitzt und ei ^¬ nem Mitteldruck-Dampfeinlass 6 der zweiten Teilturbine 2b zu ^¬ geführt, die als Mitteldruckteilturbine ausgebildet ist. Die Mitteldruckteilturbine ist zweiflutig ausgeführt. Der Dampf strömt über den Mitteldruck-Dampfeinlass 6 durch eine

Mitteldruckbeschaufelung 7 zu einem Mitteldruck-Dampfauslass 8. Von dort strömt der Dampf über eine nicht dargestellte Überströmleitung zu einem Niederdruck-Dampfeinlass 9 der als Niederdruck-Teilturbine ausgebildeten Teilturbinen 2c und 2d. Von dort strömt der Dampf über jeweilige Niederdruck-Beschau- feiungen 10 zu einem Niederdruck-Dampfauslass 11 und von dort zu einem nicht näher dargestellten Kondensator.

Die zweite Teilturbine 2b umfasst einen Rotor 12. Sowohl die Teilturbine 2a als auch die Teilturbinen 2c und 2d umfassen jeweils einen Rotor 13, wobei die Rotoren 12, 13 mittels starrer Kupplungen 14 miteinander gekoppelt sind. Um den Rotor 12 ist ein Gehäuse 15 angeordnet. Das Gehäuse 15 ist ein erstes Gehäuse 15, der Rotor 12 ist ein erster Rotor 12. Die Niederdruck-Teilturbine 2c umfasst den Rotor 13 (zweiter Ro- tor 13) und ein zweites Gehäuse 16 auf. Im Betrieb dehnt sich der Rotor 12, 13 aus, was zu einem vergrößerten Spalt zwischen dem Rotor 12, 13 und dem Gehäuse 15 führen kann. Um den Spalt zu verringern, ist zwischen dem ersten Gehäuse 15 und dem zweiten Gehäuse 16 eine Schubstange 17 angeordnet.

Im Betrieb dreht sich der Rotor 12, 13 in der Regel mit 50 bzw. 60 Hz und treibt einen elektrischen Generator 18 an, der in der Figur 1 nur symbolhaft dargestellt ist. Die Schub ^¬ stange 17 wird hohl ausgeführt und weist dadurch einen Hohl- räum auf, der in der Figur 1 nicht näher darstellbar ist.

Die Figur 2 zeigt eine Seitenansicht eines Teils der Dampf ^¬ turbine 1 aus Figur 1. Der erste Rotor 13 rotiert um eine Ro- tationsachse 19 und ist gegenüber dem ersten Gehäuse 15 an ^¬ geordnet. Der Rotor 13 weist einen ersten Radius Rl und einen zweiten Radius R2 auf, wobei Rl > R2 ist. Der Übergang vom Radius Rl zum Radius R2 erfolgt im Wesentlichen unstetig und zeigt eine Kante 20 im Bereich des Übergangs auf. Das erste Gehäuse 15 weist einen Versorgungsdampfkanal 21 auf, der in dem in Figur 2 dargestellten Betriebszustand vom ersten Rotor 13 zunächst verdeckt wird. Der Versorgungsdampfkanal 21 weist einen Heizdampfauslass 22 auf, der komplett an der Kante 20 verdeckt wird, so dass kein Heizdampf strömen kann. Der Heizdampf kann beispielsweise aus dem Prozess entnommen werden und könnte beispielsweise der Abdampf der Teilturbine 2b sein. Der Rotor 13 weist eine ringförmige Stirnfläche 27 auf.

Die Figur 3 zeigt einen im Vergleich zur Figur 2 dargestellten Zustand einen Zustand während des Betriebes in einem Übergangszustand auf. Der Unterschied zur Figur 2 liegt da ^¬ rin, dass der Rotor 13 durch eine Beaufschlagung mit Prozessdampf sich thermisch ausdehnt und zwar um den Betrag AX _We n _e 23. Die Ausdehnung ist hierbei derart, dass die Kante 20 nun ^¬ mehr den Heizdampfauslass 22 freigibt, so dass ein Heizdampf aus dem Versorgungsdampfkanal 21 ausströmen kann. Zur besse ^¬ ren Übersicht ist der Zustand aus Figur 2 durch eine gestri ^¬ chelte Linie 24 dargestellt.

Der aus dem Versorgungsdampfkanal 21 ausströmende Heizdampf wird der Schubstange 17 zugeführt und kann dort in den Hohl ^¬ raum geführt werden. Dadurch dehnt sich die Schubstange 17 aus mit der Folge, dass das Gehäuse 15, 16 bewegt werden kann .

In der Figur 4 ist beispielhaft dargestellt, wie die Bewegung des Gehäuses 15 erfolgt. Das Gehäuse 15 ist um den Betrag

AXce _h äuse 25 der Bewegung der Welle gefolgt. Der Übersichtlich- keit wegen ist der Zustand des Gehäuses aus Figur 3 als eine zweite gestrichelte Linie 26 symbolisch dargestellt. Die Be ^¬ wegung des Gehäuses 15 über die thermisch ausgedehnte Schub ^¬ stange 17 ist in dem in Figur 4 dargestellten Zustand derart, dass im Wesentlichen der Betrag 23 gleich groß ist mit dem Betrag 25. Das bedeutet, dass AX _Geh äuse ungefähr gleich ist mit AX _We iie · Wie in Figur 4 zu sehen ist, wird dadurch der Heiz- dampfauslass 22 durch den Rotor 13 bzw. das Gehäuse 15 wieder verschlossen. Somit strömt kein Heizdampf mehr zur Schubstange 17 und die Bewegung des Gehäuses 15 ist wiederum ver ^¬ mieden. Dadurch ist ein Zu- bzw. Abfluss zur Schubstange 17 geregelt. Somit weist das gesamte System eine inhärente Sta ^¬ bilität auf, da der Versatz der Gehäuse 15, 16 immer dem Ver- satz des Läufers folgt, ohne dass Hilfsenergie dazu benötigt wird. Ein Ausfall solch einer Steuerung ist dadurch nahezu ausgeschlossen .

Die Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform des in den Fi- guren 2, 3 und 4 dargestellten Ausschnitts der Dampfturbine 1. Der Unterschied der in Figur 5 dargestellten Anordnung zu den Figuren 2, 3 und 4 liegt darin, dass das Gehäuse 15 im Bereich der Kante 20 des Rotors 13 konisch ausgebildet ist, so dass der Rotor ebenfalls an der Kante konisch ausgeführt werden muss, damit ein Anstreifen des Rotors 13 an dem Ge ^¬ häuse 15 vermieden wird. Der Übersichtlichkeit wegen ist in der Figur 5 lediglich ein Betriebszustand dargestellt, bei dem der Heizdampfauslass 22 vollständig mit dem Rotor 13 ver ^¬ deckt ist, so dass kein Heizdampf aus dem Versorgungsdampf- kanal 21 ausströmen kann. Der Versorgungsdampfkanal 21 ist mit einer Versorgungsdampfquelle verbunden. Die Versorgungs ^¬ dampfquelle ist nicht näher dargestellt. Die Versorgungs ^¬ dampfquelle kann beispielsweise ein zur Verfügung stehender Prozessdampf oder beispielsweise ein Abdampf einer Teiltur- bine sein. Der Übergang an der Kante 20 des Rotors 13 vom Ra ^¬ dius Rl zum Radius R2 erfolgt unstetig, so dass eine Stirn ^¬ fläche 27 entsteht, die im Wesentlichen parallel zum Radius Rl bzw. R2 ist. Diese Stirnfläche 27 muss nicht zwingend pa ^¬ rallel zum Radius Rl bzw. R2 ausgeführt sein, sondern kann unter einem nicht näher dargestellten Winkel zum Radius Rl bzw. R2 geneigt sein. Von Bedeutung ist, dass die Kante 20 den Heizdampfauslass 22 komplett verschließen kann. Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschreiben wurde, so is 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 .