Rotorkühlung für eine Dampfturbine Die Erfindung betrifft eine Dampfturbine umfassend eine Hoch ^¬ druck-Teilturbine umfassend einen mehrere Laufschaufeln um ^¬ fassenden drehbar gelagerten Hochdruck-Rotor mit einem Schubausgleichskolben und ein um den Hochdruck-Rotor angeordnetes Hochdruck-Innengehäuse, wobei zwischen den Schubausgleichs- kolben und dem Hochdruck-Innengehäuse ein Kühldampfräum ge ^¬ bildet ist und eine Mitteldruck-Teilturbine, wobei die Mit ^¬ teldruck-Teilturbine einen Mitteldruck-Rotor umfasst, wobei der Mitteldruck-Rotor einen Einströmbereich aufweist, wobei eine Kühlleitung in den Einströmbereich ragt, die strömungs- technisch mit der Hochdruck-Teilturbine verbunden ist.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Dampfturbine. Unter einer Dampfturbine im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird jede Turbine oder Teilturbine verstanden, die von einem Arbeitsmedium in Form von Dampf durchströmt wird. Im Unterschied dazu werden Gasturbinen mit Gas und/oder Luft als Arbeitsmedium durchströmt, das jedoch völlig anderen Tempera- tur- und Druckbedingungen unterliegt, als der Dampf bei einer Dampfturbine .

Eine Dampfturbine umfasst üblicherweise einen mit Schaufeln besetzten drehbar gelagerten Rotor, der innerhalb eines Ge- häuses bzw. Gehäusemantels angeordnet ist. Bei Durchströmung des vom Gehäusemantel gebildeten Innenraums des Strömungska ^¬ nals mit erhitztem und unter Druck stehendem Dampf wird der Rotor über die Schaufeln durch den Dampf in Drehung versetzt. Die Schaufeln des Rotors werden auch als Laufschaufeln be- zeichnet. Am Innengehäuse sind darüber hinaus üblicherweise stationäre Leitschaufeln aufgehängt, welche entlang einer axialen Ausdehnung des Körpers in die Zwischenräume der Ro ^¬ torschaufeln greifen. Eine Leitschaufel ist üblicherweise an einer ersten Stelle entlang einer Innenseite des Dampfturbi ^¬ nen-Gehäuses gehalten. Dabei ist sie üblicherweise Teil einer Leitschaufelreihe, welche eine Anzahl von Leitschaufeln um- fasst, die entlang eines Innenumfangs an der Innenseite des Dampfturbinen-Gehäuses angeordnet sind. Dabei weist jede

Leitschaufel mit ihrem Schaufelblatt radial nach innen. Eine Leitschaufelreihe an der genannten ersten Stelle entlang der axialen Ausdehnung wird auch als Leitschaufelgitter oder -kränz bezeichnet. Üblicherweise ist eine Anzahl von Leit- schaufelreihen hinter einander geschaltet. Entsprechend ist an einer zweiten Stelle entlang der axialen Ausdehnung hinter der ersten Stelle eine weitere zweite Schaufel entlang der Innenseite des Dampfturbinen-Gehäuses gehalten. Ein Paar ei ^¬ ner Leitschaufelreihe und einer Laufschaufelreihe wird auch als Schaufelstufe bezeichnet.

Der Gehäusemantel einer derartigen Dampfturbine kann aus ei ^¬ ner Anzahl von Gehäusesegmenten gebildet sein. Unter dem Gehäusemantel der Dampfturbine ist insbesondere das stationä- re Gehäusebauteil einer Dampfturbine oder einer Teilturbine zu verstehen, das entlang einer Längsrichtung der Dampfturbine einen Innenraum in Form eines Strömungskanals aufweist, der zur Durchströmung mit dem Arbeitsmedium in Form von Dampf vorgesehen ist. Dies kann, je nach Dampfturbinenart ein In- nengehäuse und/oder ein Leitschaufelträger sein. Es kann aber auch ein Turbinengehäuse vorgesehen sein, welches kein Innengehäuse oder keinen Leitschaufelträger aufweist.

Aus Wirkungsgradgründen kann die Auslegung einer derartigen Dampfturbine für sogenannte „hohe Dampfparameter" , also ins ^¬ besondere hohe Dampfdrücke und/oder hohe Dampftemperaturen, wünschenswert sein. Allerdings ist insbesondere eine Tempera ^¬ turerhöhung aus materialtechnischen Gründen nicht unbegrenzt möglich. Um dabei einen wirtschaftlichen und sicheren Betrieb der Dampfturbine auch bei besonders hohen Temperaturen zu er ^¬ möglichen, kann daher eine Kühlung einzelner Bauteile oder Komponenten wünschenswert sein. Die Bauteile sind nämlich in ihrer Temperaturfestigkeit begrenzt. Ohne effiziente Kühlung würden bei steigenden Temperaturen wesentlich teurere Materialien (z.B. Nickel-Basis-Legierungen) notwendig.

Bei den bisher bekannten Kühlmethoden, insbesondere für einen Dampfturbinen-Körper in Form eines Dampfturbinengehäuses oder eines Rotors, ist zwischen einer aktiven Kühlung und einer passiven Kühlung zu unterscheiden. Bei einer aktiven Kühlung wird eine Kühlung durch ein dem Dampfturbinen-Körper separat, d.h. zusätzlich zum Arbeitsmedium zugeführtes Kühlmedium be- wirkt. Dagegen erfolgt eine passive Kühlung lediglich durch eine geeignete Führung oder Verwendung des Arbeitsmediums. Bisher wurden Dampfturbinenkörper vorzugsweise passiv gekühlt . Dampfturbinen umfassen in der Regel eine Hochdruck- Teilturbine, eine Mitteldruck-Teilturbine sowie eine Nieder ^¬ druck-Teilturbine. Ein Frischdampf strömt zunächst in die Hochdruck-Teilturbine und strömt anschließend zur Mittel ^¬ druck-Teilturbine und danach zur Niederdruck-Teilturbine. Dampfturbinen werden in Dampfkraftwerken eingesetzt, wie z.B. bei fossil befeuerten Dampfkraftwerken. Bei fossil befeuerten Dampfkraftwerken steigen die Anforderungen an die zu erreichenden Wirkungsgrade. Es wird zunehmend eine Auslegung auf höhere Dampftemperaturen gefordert und gewünscht. Somit sind Eintrittstemperaturen von bis zu 630° wünschenswert. Solch hohe Temperaturen führen zu einer hohen thermischen Beanspruchung der Materialien für den Rotor und für die Gehäuse. Die Einsatzgrenzen eines Rotors werden durch die thermisch hoch beanspruchten Bereiche, wie z.B. den Einströmbereich er- reicht. Bei einer Erhöhung der Temperatur nimmt der Festigkeitskennwert für die Materialien der Rotoren überproportio ^¬ nal ab. Somit ergeben sich aus der Materialtemperatur, insbesondere bei Mitteldruck-Teilturbinen-Rotoren maximal zulässige Wellendurchmesser bezogen auf die Auslastung im Wellenin- neren oder maximal zulässige Fliehkräfte im randnahen Bereich von Rotoren, die insbesondere bei 60 Hz-Anwendungen zu Einschränkungen führen können. Im Allgemeinen lässt sich durch eine Temperaturabsenkung, d. h. die Oberfläche und/oder das Welleninnere wird gekühlt, entweder eine Erweiterung der me ^¬ chanischen Einsatzgrenzen des Rotors bei gegebenem Werkstoff erzielen oder in anderen Fällen ein Wechsel zu hochwertigeren und teureren Werkstoffen vermeiden. Problematisch ist aller- ding, dass jede Kühlung eine negative Auswirkung auf den

Teilturbinen-Wirkungsgrad hat. Die Verwendung von Kühldampf, dessen Druckniveau nur leicht über dem der Mitteldruck- Einströmung liegt, stellt somit bei Minimierung der erforderlichen Kühldampfmenge eine bekannte und wirkungsgradtechnisch zweckdienliche Möglichkeit dar. Da solch ein Dampf nur die Zwischenüberhitzung und die Mitteldruck-Ventile bypasst, nicht jedoch aktive Turbinenstufen, bleibt der Wirkungsgrad- einfluss vergleichsweise gering. Insbesondere bei vergleichs ^¬ weise großen zweiflutig ausgeführten Mitteldruck-Teilturbinen ist häufig die Rotorachse, die bezüglich der Integrität füh ^¬ rende Position, da dort die Kombination aus hohen Fliehkräf ^¬ ten und hohen Temperaturen zu hohen Kriechdehnungen bzw.

Kriecherschöpfung führt. Es ist daher bekannt einen Hochdruck-Abdampf zu nehmen und diesen unterhalb der Abschirmung der Leitringe einer Diagonalstufe einzuleiten, um somit den Einströmbereich einer Mitteldruck-Teilturbine zu kühlen. Der thermodynamische Verlust ist daher als gering einzuschätzen. Allerdings gibt es hier den Nachteil, dass der

Einströmbereich der Mitteldruck-Teilturbine mit einer relativ großen Temperaturdifferenz konfrontiert ist.

Eine Temperatur eines Kühldampfes, dessen Temperatur höher ist als die des Hochdruck-Abdampfes würde zur Kühlung ausrei ^¬ chen. Allerdings wäre es kontraproduktiv den Dampf aus dem heißeren Bereich einer Hochdruck-Beschaufelung zu nehmen, da hier mit den Druckdifferenzen auch die thermodynamischen Verluste steigen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Dampfturbine anzuge- ben, die besser gekühlt werden kann.

Gelöst wird dies durch eine Dampfturbine gemäß Anspruch 1, des Weiteren wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren ge ^¬ mäß Anspruch 10. Ein wesentliches Merkmal der vorgeschlagenen Erfindung ist es, den Kühldampf für die Mitteldruck-Teilturbine aus der Hochdruck-Teilturbine zu entnehmen, wobei der Kühldampf aus dem Kühldampfräum entnommen wird, der zwischen dem Schubausgleichskolben und dem Hochdruck-Innengehäuse entnommen wird.

Da dieser Kühldampf aus teil-expandiertem Dampf besteht, ist dieser kühl genug, um den Mitteldruck-Rotor zu kühlen.

Als Kühldampf wird hierbei ein Kühldampf verwendet, der zur Kühlung der Hochdruck-Teilturbine verwendet wird. Dieser Kühldampf wird auch als interner Kühldampf bezeichnet. Dieser interne Kühldampf wird für eine externe Kühlung des Mittel- druck-Bereiches verwendet. Dies führt zu einer Minimierung des unerwünschten negativen Einflusses auf den Turbinenwirkungsgrad durch eine Minimierung des Kühlmassenstrombedarfs und somit auch die Minimierung des apparativen Aufwands. Ein weiterer vorteilhafter Effekt ist, dass die exergetischen Verluste, die bei der Mischung zweier Dampfmassenströme un ^¬ terschiedlicher Temperatur entstehen, geringer ausfallen. Des Weiteren stellt sich ein kleineres Betriebsspiel an den Dich ^¬ tungen ein. Somit reduzieren beide Effekte den Wirkunggrad- Nachteil der Mitteldruck-Wellenkühlung. Für Kraftwerke mit kaskadierendem Umleitsystem ist ein weiterer Vorteil der Verwendung des Kolbenleckdampfes zur Kühlung, dass die

Schwankungen der Kühldampftemperatur (die aus dem Raum hinter dem Schubausgleichskolben gespeist werden) geringer ausfal- len.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben . So wird in einer ersten vorteilhaften Weiterbildung die

Dampfturbine derart weitergebildet, dass um den Hochdruck- Rotor und dem Hochdruck-Innengehäuse ein Hochdruck- Außengehäuse angeordnet ist, wobei der Schubausgleichskolben eine in Rotationsrichtung zum Hochdruck-Außengehäuse hin zei gende Rückseite aufweist und zwischen der Rückseite und dem Außengehäuse ein weiterer Kühldampfräum ausgebildet ist, der mit dem Kühldampfräum strömungstechnisch verbunden ist.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung weist die Hochdruck-Teilturbine einen Frischdampf-Zuführungskanal auf, wobei das Hochdruck-Innengehäuse mehrere Leitschaufeln um- fasst, die derart angeordnet sind, dass entlang einer Strö ^¬ mungsrichtung ein Strömungskanal mit mehreren Schaufelstufen jeweils eine Reihe Laufschaufeln und eine Reihe Leitschaufel aufweisen, gebildet ist, wobei das Hochdruck-Innengehäuse ei ne Verbindung aufweist, die als kommunizierende Röhre zwi ^¬ schen dem Strömungskanal nach einer Schaufelstufe und dem Schubausgleichskolben des Hochdruck-Rotors und es Hochdruck- Innengehäuses ausgebildet ist, wobei das Hochdruck- Innengehäuse einen Kreuz-Rückführungskanal aufweist, der als eine kommunizierende Röhre zwischen dem Kühldampfräum und ei nem nach einer Schaufelstufe angeordnetem Zuströmraum im Strömungskanal ausgewählt wird.

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, nur zur Erläuterung dienlich in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der in der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Leh ren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen.

Es zeigen: FIG 1 eine schematische Darstellung einer Dampfturbine umfas ^¬ send eine Hochdruck- und Mitteldruck-Teilturbine,

FIG 2 eine schematische Darstellung des Einströmbereichs der Mitteldruck-Teilturbine;

FIG 3 eine schematische Darstellung eines Teils der Hoch ^¬ druck-Teilturbine . Bauteile mit gleicher Funktionsweise erhalten die gleichen Bezugs zeichen .

Die FIG 1 zeigt eine Hochdruck-Teilturbine 1. Die Hochdruck- Teilturbine 1 umfasst einen mehrere Laufschaufeln 2 (aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in FIG 1 lediglich eine

Laufschaufei mit dem Bezugszeichen 2 versehen. Der Hochdruck- Rotor 3 ist um eine Rotationsachse 4 drehbar gelagert. Der Hochdruck-Rotor 3 umfasst einen Schubausgleichskolben 5, der zwischen einem Einströmbereich 6 und einem Außengehäuse 7 an- geordnet ist. Zwischen dem Schubausgleichskolben 5 und einem Hochdruck-Innengehäuse 8 ist ein Kühldampfräum 9 gebildet.

Das Hochdruck-Innengehäuse 8 ist um den Hochdruck-Rotor 3 an ^¬ geordnet. Die Hochdruck-Teilturbine 1 weist einen Hochdruck- Einströmbereich 6, durch den im Betrieb ein heißer Dampf einströmt. Der heiße einströmende Dampf strömt anschießend durch mehrere Hochdruck-Laufschaufeln und Hochdruck-Leitschaufeln. Die thermische Energie des Dampfes wird in Rotationsenergie des Rotors 3 hierbei umgewandelt.

Die Lagerung des Rotors 3 ist in der FIG 1 nicht näher darge ^¬ stellt. Nach der Durchströmung des heißen Dampfes durch den Strömungskanal in der Hochdruck-Teilturbine 1 strömt der Dampf aus einem Abströmbereich 10 aus der Hochdruck- Teilturbine 1 heraus. Die FIG 1 zeigt des Weiteren eine Mit ^¬ teldruck-Teilturbine 11, die einen Mitteldruck-Rotor 12 sowie ein um den Mitteldruck-Rotor 12 angeordnetes Mitteldruck- Innengehäuse 13 aufweist. Das Mitteldruck-Innengehäuse 13 ist in einem Mitteldruck-Außengehäuse 14 angeordnet.

Der Mitteldruck-Rotor 12 umfasst mehrere Laufschaufeln 15 auf den Umfang verteilt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist lediglich eine Laufschaufel mit dem Bezugszeichen 15 verse ^¬ hen. Des Weiteren weist das Mitteldruck-Innengehäuse 13 meh ^¬ rere um die Rotationsachse 4 gleichmäßig verteilte Leitschau ^¬ feln 16 auf. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist lediglich eine Leitschaufel mit dem Bezugszeichen 16 versehen. Ein Mitteldruck-Dampf strömt in einen Mitteldruck-Einströmbereich 17. Dieser Dampf strömt in einer Mitteldruck- Einströmrichtigung 18, die in etwa senkrecht zur Rotationsachse 4 ist.

Der Mitteldruck-Einströmdampf trifft hierbei auf einen

Leitring 19, der eine erste Diagonalstufe 20 aufweist, der den Dampf zu einer ersten Flut 21 ablenkt. Des Weiteren strömt der Dampf über eine zweite Diagonalstufe 22 zu einer zweiten Flut 23.

Der Leitring 19 umfasst einen ersten Leitring 19a und einen zweiten Leitring 19b. Des Weiteren weist der Leitring 19 eine Kühlleitung auf, in den der Kühldampf eingeleitet wird und durch die der Kühldampf strömt. Diese Kühldampfleitung 24 ragt in einen Raum, der durch den Leitring 19 und die Entlastungsnut 25 des Mitteldruck-Rotors gebildet wird.

Die Kühlleitung 24 ist mit dem Kühldampfräum 9 und dem weite- ren Kühldampfräum 28 strömungstechnisch verbunden.

Die FIG 2 zeigt den Einströmbereich der Mitteldruck- Teilturbine 11. Der Schubausgleichskolben 5 weist eine in Rotationsachsenrichtung 26 zum Hochdruck-Außengehäuse 7 hin zeigende Rück ^¬ seite 27 auf. Zwischen der Rückseite 27 und dem Hochdruck- Außengehäuse 7 ist ein weiterer Kühldampfräum 28 ausgebildet, der mit dem Kühldampfräum 9 strömungstechnisch verbunden ist.

Das Hochdruck-Außengehäuse 7 weist eine Leitung zum strö- mungstechnischen Verbinden des weiteren Kühldampfraumes 28 mit der Kühlleitung auf (in FIG 3 nicht gezeigt) .

Das Hochdruck-Außengehäuse 7 und das Hochdruck-Innengehäuse 8 sind derart ausgebildet, dass die Hochdruck-Teilturbine 1 ei ^¬ nen FrischdampfZuführungskanal 29 aufweist. Das Hochdruck- Innengehäuse 8 umfasst mehrere Hochdruck-Leitschaufeln 30. Die Hochdruck-Leitschaufeln 30 sind derart angeordnet, dass entlang einer Strömungsrichtigung 31 ein Strömungskanal 32 mit mehreren Schaufelstufen, die jeweils eine Reihe Lauf ^¬ schaufeln und eine Reihe Leitschaufeln aufweisen gebildet ist .

Das Hochdruck-Innengehäuse 8 weist eine Verbindung 33, 34, 35 auf, die als kommunizierende Röhre zwischen dem Strömungska ^¬ nal 32 nach einer Schaufelstufe und einem Schubausgleichskol ^¬ ben-Vorraum 36 des Hochdruck-Rotors 3 und des Hochdruck- Innengehäuses 8 ausgebildet ist.

Das Hochdruck-Innengehäuse 8 weist einen Kreuz- Rückführungskanal 37 auf, der als kommunizierende Röhre zwi ^¬ schen dem Kühldampfräum 9 und einem nach einer Schaufelstufe angeordneten Zuströmraum 38 im Strömungskanal 32 ausgebildet ist .

Der Kreuz-Rückführungskanal 37 kann auch als kommunizierende Röhre zwischen dem Schubausgleichskolben-Vorraum 36 und einem nach einer Schaufelstufe angeordneten Zuströmraum 38 im Strömungskanal 32 ausgebildet sein.

Der Leitring 19 weist eine berührungslose Dichtung (z. B. Labyrinthdichtung 39), sowohl in der ersten Flut 21, als auch in der zweiten Flut 23 auf. Zwischen dem Hochdruck-Innengehäuse 8 und dem Hochdruck- Außengehäuse 7 ist eine Dichtung 52 angeordnet, die den wei ^¬ teren Kühldampfräum 28 von der Verbindung 34 trennt. 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.