Eingehäusige Dampfturbine mit Zwischenüberhitzung Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Turbinensystem, insbe ^¬ sondere ein Dampfturbinensystem, und ein Verfahren zum Betreiben des Turbinensystems.

Hintergrund der Erfindung

In Dampfkraftwerken wird zum Betrieb von Dampfturbinen als Arbeitsmedium Dampf verwendet. Der Wasserdampf wird in einem Dampfkessel erwärmt und strömt über Rohrleitungen in die Dampfturbine. In der Dampfturbine wird die zuvor aufgenommene Energie des Arbeitsmediums in Bewegungsenergie umgewandelt. Mittels der Bewegungsenergie wird ein Generator betrieben, welcher die erzeugte mechanische Leistung in elektrische Leistung umwandelt. Danach strömt der entspannte und abge ^¬ kühlte Dampf in einen Kondensator, wo er durch Wärmeübertragung in einem Wärmetauscher kondensiert und als flüssiges Wasser erneut dem Dampfkessel zum Erhitzen zugeführt wird.

Um die Effizienz eines Dampfkraftwerks zu erhöhen, wird der Wasserdampf nach einer ersten Turbinenstufe in einem Zwischenüberhitzer zwischenerhitzt, bevor der Wasserdampf einer zweiten Turbinenstufe erneut zugeführt wird. In dem Überhit ^¬ zer wird der Wasserdampf über seine Verdampfungstemperatur hinaus weiter erhitzt und der folgenden zweiten Turbinenstufe zugeführt. Bei mehrstufigen Dampfturbinen wird zwischen den einzelnen Turbinenstufen eine solche Zwischenüberhitzung des Wasserdampfs durchgeführt. Dies führt zu einer höheren Effi ^¬ zienz, da mittels des überhitzten Wasserdampfs effizienter mechanische Energie in den Turbinenstufen erzeugbar ist.

Bei der Implementierung von Zwischenüberhitzungssystemen in Dampfturbinen wird das Material der Außenwand insbesondere zwischen den einzelnen Turbinenstufen hoch beansprucht. An der ersten Turbinenstufe wird der kältere Wasserdampf entnommen, dem Zwischenüberhitzer zugeführt und der aufgeheizte Wasserdampf der zweiten Turbinenstufe zugeführt. Dabei treten in der Außenwand im Übergang zwischen der ersten Turbinenstufe und der zweiten Turbinenstufe hohe Temperaturdifferenzen auf. Da das Ende der ersten Turbinenstufe, aus der der kälte ^¬ re Wasserdampf entnommen wird und der Beginn der zweiten Turbinenstufe, in welchem der heiße Wasserdampf aus dem Zwischenüberhitzer zugeführt wird, eng beieinander liegen, treten hohe thermische Spannungen in der Außenwand auf. Dies kann zu Undichtigkeiten oder zu Rissen in der Außenwand führen. Ferner besteht die Gefahr, dass bei Entnahme des kalten Wasserdampfes aus der ersten Turbinenstufe Nassdampfparameter herrschen und dadurch an der Innenwand des Außengehäuses Kon ^¬ densat beaufschlagt wird. Das Kondensat kühlt die Innenseite der Außenwand zusätzlich ab. Somit wird die thermische Span ^¬ nung an der Außenwand erhöht. Die Temperaturen des überhitzten Wasserdampfes werden zur Reduktion der thermischen Spannungen daher abgekühlt, damit der überhitzte Wasserdampf kei ^¬ ne schädlichen thermischen Spannungen verursacht. Dies wird üblicherweise in vorgeschalteten Einströmgehäusen durchgeführt. Diese zusätzlichen Einströmgehäuse können allerdings zu Energieverlusten führen.

Darstellung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, thermische Spannungen in einer Außenwand einer Turbine zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird durch ein Turbinensystem, insbesondere ein Dampfturbinensystem, und ein Verfahren zum Betreiben des Dampfturbinensystems gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Turbinensystem, insbesondere ein Dampfturbinensystem geschaffen. Das Turbinensystem weist eine Turbinenwelle, einen ers- ten Turbinenbereich und einen zweiten Turbinenbereich auf. Der zweite Turbinenbereich ist in Axialrichtung der Turbinenwelle nach dem ersten Turbinenbereich angeordnet. Ferner weist das Turbinensystem ein Gehäuse mit einer Außenwand, ei ^¬ ner ersten Trennwand und einer zweiten Trennwand auf. Die Au ^¬ ßenwand weist eine Ausdehnung entlang des ersten Turbinenbe ^¬ reichs und des zweiten Turbinenbereichs in Axialrichtung auf. Die Außenwand verläuft z.B. entlang des ersten Turbinenbe ^¬ reichs und des zweiten Turbinenbereichs im Wesentlichen in Axialrichtung. Die erste Trennwand und die zweite Trennwand sind jeweils mit der Außenwand gekoppelt und weisen jeweils eine radiale Ausdehnung hin zu der Turbinenwelle auf, so dass die erste Trennwand die Ausdehnung des ersten Turbinenbe ^¬ reichs in Axialrichtung eingrenzt und die zweite Turbinenwand die Ausdehnung des zweiten Turbinenbereichs in Axialrichtung eingrenzt. Die erste Trennwand ist von der zweiten Trennwand entlang der Axialrichtung derart beabstandet, dass ein Zwischenraum gebildet ist, welcher zumindest von einem Teil der Außenwand, der ersten Trennwand und der zweiten Trennwand eingegrenzt ist. Die erste Trennwand ist derart eingerichtet, dass ein erstes Arbeitsmedium mit einem ersten Arbeitsdruck aus dem ersten Turbinenbereich in den Zwischenraum einströmbar ist und wobei die zweite Trennwand derart eingerichtet ist, dass ein zweites Arbeitsmedium mit einem zweiten Arbeitsdruck, welcher z.B. niedriger als der erste Arbeitsdruck sein kann, aus dem zweiten Turbinenbereich in den Zwischenraum einströmbar ist, so dass eine Fluidmischung des ersten Arbeitsmediums und des zweiten Arbeitsmediums in dem Zwi ^¬ schenraum erzeugbar ist.

Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben des oben beschriebenen Turbinensystems beschrieben. Gemäß dem Verfahren wird das erste Arbeitsmedium mit dem ersten Arbeitsdruck aus dem ersten Turbinenbereich in den Zwischenraum eingeströmt. Das zweite Arbeitsmedium wird mit dem zweiten Arbeitsdruck, welcher niedriger als der erste Arbeitsdruck ist, aus dem zweiten Turbinenbereich in dem Zwischenraum eingeströmt, so dass eine Flu- idmischung des ersten Arbeitsmediums und des zweiten Arbeits ^¬ mediums in dem Zwischenraum erzeugt wird.

In einer beispielhaften Aus führungs form der Erfindung weist der erste Arbeitsdruck in dem ersten Turbinenbereich einen höheren Arbeitsdruck als ein zweiter Arbeitsdruck des zweiten Arbeitsmediums auf. Der erste Turbinenbereich kann daher die Hochdruckturbine und der zweite Turbinenbereich die Nieder ^¬ druckturbine des Turbinensystems bilden.

Unter dem Begriff "Turbinenbereich" wird beispielsweise eine Turbinenstufe beschrieben. Ein Turbinenbereich beinhaltet beispielsweise funktionale Elemente, wie beispielsweise einen Stator oder einen Bewegungsraum und/oder eine Führung für einen Rotor bzw. einen Turbinenläufer. In einem Turbinenbereich wird ein Energieanteil des Arbeitsmediums in mechanische Energie umgewandelt. Ferner kann in einem Turbinenbereich eine Brennkammer eingerichtet sein.

Als Arbeitsmedium können beispielsweise Wasserdampf oder auch andere Fluide im gasförmigen Zustand eingesetzt werden. Fer ^¬ ner kann als Arbeitsmedium auch ein beliebiges Fluid im

Dampfstadium mit flüssigen und gasförmigen Bestandteilen verstanden werden. Das erste Arbeitsmedium wird als das Arbeitsmedium verstanden, welches den ersten Turbinenbereich durchströmt und in dem ersten Turbinenbereich einen ersten Arbeitsdruck und eine erste Temperatur aufweist. Das zweite Ar ^¬ beitsmedium wird als dasjenige Arbeitsmedium verstanden, welches den zweiten Turbinenbereich durchströmt und einen zweiten Arbeitsdruck und eine zweite Temperatur aufweist.

Die Außenwand des Gehäuses wird als diejenige Begrenzung des Gehäuses verstanden, welche insbesondere den größten radialen Abstand zur Turbinenwelle aufweist. Ferner erstreckt sich die Außenwand in Längsrichtung im Wesentlichen parallel zu der Turbinenwelle. Dabei verläuft die Außenwand entlang des ers ^¬ ten Turbinenbereichs, des zweiten Turbinenbereichs und des Zwischenraums und bildet einen Teil der Mantelfläche des Ge ^¬ häuses .

Die Axialrichtung kann als diejenige Richtung verstanden werden, welche entlang der Turbinenwelle von dem ersten Turbi ^¬ nenbereich zu dem zweiten Turbinenbereich verläuft. Die Axialrichtung wird beispielsweise als die Richtung entlang der Turbinenwelle definiert, entlang welcher das Arbeitsmedium von einem ersten Turbinenbereich mit einem hohen Druck zu einem zweiten Turbinenbereich mit einem niedrigeren Druck als im ersten Turbinenbereich strömt.

Unter dem Begriff "Trennwand" wird eine im Wesentlichen radial verlaufende bzw. eine sich radial ausdehnende Wand ver ^¬ standen, welche ausgehend von der Außenwand in Richtung Turbinenwelle verläuft. Eine Trennwand grenzt insbesondere einen Turbinenbereich in Axialrichtung ein. Mit anderen Worten wird ein Turbinenbereich in Axialrichtung durch den Bereich definiert, welcher durch zwei Trennwände, welche im Wesentlichen radial verlaufen, eingegrenzt ist. Die erste Trennwand ist insbesondere diejenige Trennwand, welche den ersten Turbinen ^¬ bereich in Richtung des angrenzenden zweiten Turbinenbereichs begrenzt. Die zweite Trennwand ist diejenige Trennwand des zweiten Turbinenbereichs, welche am nächsten zu der ersten Trennwand angeordnet ist.

Durch eine Beabstandung der ersten Trennwand in Axialrichtung zu der zweiten Trennwand entsteht der Zwischenraum. Der Zwischenraum ist von der ersten Trennwand, der Außenwand und der zweiten Trennwand eingegrenzt. In radialer Richtung wird der Zwischenraum beispielsweise durch die Turbinenwelle oder durch andere radial angeordnete Elemente begrenzt. Der Zwi ^¬ schenraum unterscheidet sich beispielsweise von den Turbinenbereichen dadurch, dass ein Medium in dem Zwischenraum keine Arbeit verrichtet, so dass keine Energie des Mediums im Zwi ^¬ schenraum in mechanische Energie umgesetzt wird. Der Zwi ^¬ schenraum weist insbesondere keine funktionalen Einbauten, welche an der Energieumwandlung beteiligt sind (z.B. Rotoren, Statoren), auf. Der Zwischenraum kann darüber hinaus auch funktionale Einrichtungen aufweisen, welche nicht direkt an der Energieumwandlung beteiligt sind.

In den Zwischenraum können durch Vorrichtungen in der ersten Trennwand und der zweiten Trennwand jeweils das erste Ar ^¬ beitsmedium und das zweite Arbeitsmedium einströmen. Dadurch entsteht im Zwischenraum die Fluidmischung . Je nach einströmender Masse pro Zeiteinheit (Massenstrom) des ersten Arbeitsmediums und des zweiten Arbeitsmediums in den Zwischen ^¬ raum entstehen für die Fluidmischung jeweils Mischparameter, wie beispielsweise eine bestimmte Fluidtemperatur und ein be ^¬ stimmter Fluiddruck, welche das Ergebnis der Mischung der jeweiligen ersten und zweiten Parameter des ersten und zweiten Arbeitsmediums sind. Der Zwischenraum ist insbesondere da ^¬ durch gebildet, dass die Fluidmischung in dem Zwischenraum in thermischem Kontakt mit der Außenwand steht, bzw. mit dem Be ^¬ reich der Außenwand, welcher den Zwischenraum bildet. Somit kann ein Erwärmen bzw. ein Abkühlen der Außenwand durch die Fluidmischung erzeugt werden.

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Zwischenraum zwischen dem ersten Turbinenbereich und dem zweiten Turbinenbereich bereitgestellt. Dadurch grenzt der Bereich der Außenwand, welcher entlang des ersten Turbinenbereichs verläuft, nicht länger direkt an dem Bereich der Außenwand an, welcher entlang des zweiten Turbinenbereichs verläuft. Bei einem solchen direkten Übergang des ersten Turbinenbereichs auf den zweiten Turbinenbereich entstehen im Übergang an der Außenwand hohe Temperatursprünge. Aufgrund der unterschiedlichen Temperatu ^¬ ren zwischen dem ersten Arbeitsmedium und dem zweiten Arbeitsmedium können daher große Temperatursprünge in dem Übergangsbereich an der Außenwand entstehen, welche zu hohen thermischen Spannungen im Material der Außenwand führen.

Mit dem erzeugten Zwischenraum gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun das erste Arbeitsmedium und das zweite Arbeits ^¬ medium zu einer Fluidmischung vermischt, so dass dadurch je nach anteiligem Volumen eine bestimmte Fluidtemperatur ent ^¬ steht, welche insbesondere einen Temperaturbereich zwischen der ersten Temperatur des ersten Arbeitsmediums und der zweiten Temperatur des zweiten Arbeitsmediums aufweist. Dadurch wird im Bereich des Zwischenraums an der Außenwand eine mitt ^¬ lere Temperatur entsprechend der Fluidtemperatur der Fluidmi- schung eingestellt. Dadurch reduzieren sich an der Außenwand die hohen Temperaturunterschiede zwischen dem ersten Arbeits ^¬ medium im ersten Turbinenbereich und dem zweiten Arbeitsmedium im zweiten Temperaturbereich im Übergangsbereich zwischen dem ersten Turbinenbereich und dem zweiten Turbinenbereich. Somit wird auch die Materialbeanspruchung der Außenwand reduziert. Mit anderen Worten wird aufgrund des Zwischenraums der Temperaturübergang entlang der Außenwand von dem ersten Turbinenbereich zu dem zweiten Turbinenbereich gestreckt bzw. ein größerer Übergangsbereich bereitgestellt.

Durch die geringeren thermischen Spannungen an der Außenwand im Übergangsbereich wird insbesondere die Materialbeanspru ^¬ chung der Außenwand reduziert. Ferner werden die thermischen Dehnungen der Außenwand beherrschbarer, so dass geringe Spal ^¬ tenmaße an der Außenwand eingeplant werden müssen. Dies führt insbesondere dazu, dass die Dichtigkeit des Gehäuses erhöht wird .

Gemäß einer weiteren beispielhaften Aus führungs form ist die Außenwand einstückig geformt. Gemäß der beispielhaften Ausführungsform ist die Außenwand insbesondere einstückig ent ^¬ lang des ersten Turbinenbereichs, des Zwischenraums und des zweiten Turbinenbereichs ausgebildet. Aufgrund der Verringe ^¬ rung der thermischen Spannungen durch Bilden eines Zwischenraums zwischen dem ersten Turbinenbereich und dem zweiten Turbinenbereich ist eine einstückig geformte Außenwand mög ^¬ lich. Das Material der Außenwand wird aufgrund der reduzier ^¬ ten thermischen Spannungen entlang des ersten Turbinenbereichs und des zweiten Turbinenbereichs durch den dazwischen liegenden Zwischenraum reduziert, so dass beispielsweise kei ^¬ ne Dehnungsspalten notwendig sind. Damit kann in ein und dem- selben Fertigungsvorgang, z.B. in ein und demselben Gießvorgang, die Außenwand gegossen werden, so dass ein kostengüns ^¬ tigeres und schnelleres Herstellverfahren der Außenwand und somit des Gehäuses ermöglicht wird. Ferner fallen Montage ^¬ schritte weg, welche notwendig wären, um eine Vielzahl von verschiedenen Außenwandteilen zu montieren.

Gemäß einer weiteren beispielhaften Aus führungs form sind ein erster Massenstrom des ersten Arbeitsmediums aufgrund der Ausbildung der ersten Trennwand und ein zweiter Massenstrom des zweiten Arbeitsmediums aufgrund der Ausbildung der zwei ^¬ ten Trennwand derart einstellbar, dass in dem Zwischenraum die Fluidmischung ein mittlerer Temperaturbereich bezüglich der ersten Temperatur des ersten Arbeitsmediums im ersten Turbinenbereich und der zweiten Temperatur des zweiten Arbeitsmediums im zweiten Temperaturbereich erzeugbar ist. Der mittlere Temperaturbereich umfasst eine Temperatur der Fluidmischung, welche zwischen der Temperatur des ersten Arbeitsmediums und der Temperatur des zweiten Arbeitsmediums liegt. Mit dieser mittleren Fluidtemperatur im Zwischenraum wird entsprechend der Bereich der Außenwand im Zwischenraum tempe ^¬ riert. Somit wird ein schonenderer Temperaturübergang von der ersten Temperatur zu der zweiten Temperatur geschaffen, so dass thermische Spannungen der Außenwand reduziert werden.

Die Trennwände können aufgrund ihrer Ausbildung die Massenströme dadurch steuern, indem die Trennwände beispielsweise eine Öffnung mit einem vorbestimmten Öffnungsdurchmesser aufweisen. Darüber hinaus können in diese Öffnungen jeweils Steuerventile eingebaut sein, um variabel den ersten Massen ^¬ strom bzw. den zweiten Massenstrom zu steuern.

Ferner kann der erste Massenstrom bzw. der zweite Massenstrom durch die Ausbildung der jeweiligen Trennwand dadurch gesteuert werden, dass eine radiale Ausdehnung der jeweiligen

Trennwand von der Außenwand in Richtung Turbinenwelle vorbe ^¬ stimmt ist, so dass sich ein vordefinierter Öffnungsspalt zwischen der Turbinenwelle und der jeweiligen Trennwand bil- det. Dementsprechend ist in einer weiteren beispielhaften Aus führungs form der Erfindung die erste Trennwand derart aus ^¬ gebildet, dass ein erster Spalt zwischen der ersten Trennwand und der Turbinenwelle gebildet ist, so dass das erste Ar ^¬ beitsmedium von dem ersten Turbinenbereich in den Zwischenraum, insbesondere mit einem vorbestimmten ersten Massenstrom, einströmbar ist. Entsprechend kann in einer weiteren beispielhaften Aus führungs form die zweite Trennwand derart ausgebildet sein, dass ein zweiter Spalt zwischen der zweiten Trennwand und der Turbinenwelle gebildet ist, so dass das zweite Arbeitsmedium mit einem vorbestimmten zweiten Massenstrom von dem zweiten Turbinenbereich in den Zwischenraum, einströmbar ist.

Gemäß einer weiteren beispielhaften Aus führungs form weist da Turbinensystem ein Dichtelement auf, welches zwischen der ersten Trennwand und/oder der zweiten Trennwand und der Turbinenwelle angeordnet ist, um das Einströmen des ersten Mas ^¬ senstroms oder des zweiten Massenstroms in dem Zwischenraum zu steuern. Das Dichtelement kann insbesondere in dem ersten Spalt und/oder dem zweiten Spalt angeordnet sein, damit ein vorbestimmter erster Massenstrom bzw. ein vorbestimmter zwei ter Massenstrom einstellbar ist. Das Dichtelement kann beispielsweise an der Turbinenwelle oder an der jeweiligen

Trennwand drehfest angeordnet sein. Das Dichtelement kann ei nen Dichtungsring oder eine Labyrinthdichtung aufweisen.

Gemäß einer weiteren beispielhaften Aus führungs form weist die Außenwand in dem ersten Turbinenbereich eine erste Öffnung zum Ausströmen des ersten Arbeitsmediums aus dem Gehäuse auf. Durch das Ausströmen des ersten Arbeitsmediums aus der ersten Öffnung kann ein bestimmter erster Arbeitsdruck im ersten Turbinenbereich eingestellt werden. Darüber hinaus ist das ausströmende Arbeitsmedium einem Zwischenüberhitzer zuführbar. In dem Zwischenüberhitzer wird beispielsweise bei im Wesentlichen gleichbleibendem erstem Arbeitsdruck die erste Temperatur des ersten Arbeitsmediums erhöht, bis die erste Temperatur dem Wert der zweiten Temperatur entspricht. Mit- tels einer Zwischenüberhitzung des Arbeitsmediums wird die Effizienz des Turbinensystems erhöht.

In einer weiteren beispielhaften Aus führungs form weist die Außenwand in dem zweiten Turbinenbereich eine zweite Öffnung zum Einströmen des zweiten Arbeitsmediums in das Gehäuse auf. Durch die zweite Öffnung kann beispielsweise das überhitzte zweite Arbeitsmedium einströmen, damit die Effektivität des Turbinensystems erhöht wird. Die zweite Öffnung ist insbeson ^¬ dere derart eingerichtet, dass das zweite Arbeitsmedium von dem Zwischenüberhitzer zuführbar ist. In dem Zwischenüberhitzer wird beispielsweise das erste Arbeitsmedium zugeführt, anschließend überhitzt und als zweites Arbeitsmedium mit der zweiten Temperatur und dem zweiten Arbeitsdruck abgeführt. Das zweite Arbeitsmedium weist im Wesentlichen den gleichen Druck wie der ersten Arbeitsdruck auf, wobei das zweite Arbeitsmedium durch die Zwischenüberhitzung eine deutlich höhere zweite Temperatur im Vergleich zu der ersten Temperatur des ersten Arbeitsmediums aufweist.

Gemäß einer weiteren beispielhaften Aus führungs form weist die Außenwand im Bereich des Zwischenraums eine dritte Öffnung auf, aus welcher die Fluidmischung aus dem Gehäuse ausströmbar ist. Durch ein gesteuertes Ausströmen der Fluidmischung aus dem Zwischenraum kann beispielsweise der Fluiddruck in dem Zwischenraum eingestellt werden.

Gemäß einer weiteren beispielhaften Aus führungs form ist das Ausströmen der Fluidmischung mittels der dritten Öffnung derart steuerbar, dass ein Fluiddruck der Fluidmischung im Zwischenraum kleiner als der erste Arbeitsdruck des ersten Arbeitsmediums in dem ersten Turbinenbereich und kleiner als der zweite Arbeitsdruck des zweiten Arbeitsmediums in dem zweiten Turbinenbereich ist. Durch die Einstellung des Flu- iddrucks der Fluidmischung im Zwischenraum kann darüber hinaus der erste Massenstrom des ersten Arbeitsmediums und der zweite Massenstrom des zweiten Arbeitsmediums eingestellt werden. Je höher das Druckgefälle zwischen dem Fluiddruck und dem ersten Arbeitsdruck bzw. dem zweiten Arbeitsdruck, desto höher ist der erste Massenstrom bzw. der zweite Massenstrom.

Gemäß einer weiteren beispielhaften Aus führungs form weist da Turbinensystem ein Steuerventil auf, welches zur Steuerung des Ausströmens der Fluidmischung an die dritte Öffnung ge ^¬ koppelt ist. Mittels des Steuerventils ist der Fluiddruck einstellbar .

Gemäß einer weiteren beispielhaften Aus führungs form weist da Turbinensystem ferner eine Druckkammer auf, welche zur Steue rung des Ausströmens der Fluidmischung an die dritte Öffnung gekoppelt ist. In die Druckkammer ist die Fluidmischung aus dem Zwischenraum einströmbar. Die Druckkammer ist eingerichtet, den Fluiddruck der Fluidmischung in der Druckkammer ein zustellen. Abhängig von dem Fluiddruck der Fluidmischung in der Druckkammer kann ebenfalls ein Massenstrom der ausströmenden Fluidmischung eingestellt werden. Somit kann beispielsweise die Druckdifferenz des Fluiddrucks in dem Zwi ^¬ schenraum einerseits und dem ersten Arbeitsdruck bzw. dem zweiten Arbeitsdruck andererseits erhöht oder reduziert wer ^¬ den, womit wiederum den erste Massenstrom und der zweite Mas senstrom einstellbar ist.

Gemäß einer weiteren beispielhaften Aus führungs form verläuft die Außenwand in Axialrichtung entlang eines dritten Turbinenbereichs, wobei der dritte Turbinenbereich in Axialrichtung nach dem zweiten Turbinenbereich angeordnet ist. Die Au ßenwand in dem dritten Turbinenbereich weist eine vierte Öff nung auf, welche mit der dritten Öffnung derart gekoppelt ist, dass die Fluidmischung von außerhalb des Gehäuses in de dritten Turbinenbereich durch die vierte Öffnung einströmbar ist. Mit der beispielhaften Aus führungs form kann insbesonder die Fluidmischung zur weiteren Energieabgabe in den dritten Turbinenbereich eingeströmt werden. Die Fluidmischung, welch zum thermischen Ausgleich der Außenwand zwischen dem ersten und zweiten Turbinenbereich dient, kann somit effizient wei- terverarbeitet werden. Damit wird im gesamten Dampfkreislauf des Turbinensystems eine hohe Effizienz erzeugt.

Der dritte Turbinenbereich kann ferner im Bereich der Einströmung der Fluidmischung durch die vierte Öffnung einen weiteren Zwischenraum aufweisen, so dass die einströmende Fluidmischung den Bereich entlang des weiteren Zwischenraums der Außenwand temperiert. Somit kann dieselbe Fluidmischung thermische Spannungen auch in einem Übergangsbereich der Außenwand zwischen dem zweiten Turbinenbereich und dem dritten Turbinenbereich reduzieren.

Mit der vorliegenden Erfindung wird an der Außenwand entlang des Zwischenraums eine Trennung des meist kälteren ersten Ar ^¬ beitsmediums und des zwischenüberhitzten heißeren zweiten Arbeitsmediums geschaffen. Aus dem Zwischenraum wird die im Zwischenraum erzeugte Fluidmischung abgeführt, beispielsweise durch Ankopplung einer Druckkammer an den Zwischenraum, wobei die Fluidmischung in der Druckkammer einen niedrigeren Druck als der Fluiddruck im Zwischenraum aufweist. In dem Zwischenraum stellt sich durch das Einströmen des ersten Arbeitsmediums und des zweiten Arbeitsmediums eine Mischtemperatur ein, womit das Temperaturgefälle zwischen dem meist kälteren ers ^¬ ten Arbeitsmedium und dem meist heißeren zweiten Arbeitsmedium auf eine größere axiale Erstreckung verteilt wird. Somit können z.B. Dichtigkeiten von Trennfugen in den Grenzbereichen der Turbinenbereiche besser eingestellt werden. Darüber hinaus kann ein einstückig geformtes Außengehäuse geschaffen werden, so dass Trennfugen gar unnötig werden können. Ferner kann auf ein zusätzliches Einströmgehäuse zum Reduzieren der Temperatur des überhitzten Wasserdampfes verzichtet werden. Damit sind größere Volumen bzw. Massenströme des Arbeitsmedi ^¬ ums beherrschbar, insbesondere, da die Dampfanschlüsse direkt an dem Außengehäuse ohne ein Durchlaufen des zusätzlichen Einströmgehäuses angeschlossen werden können.

Es wird darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an mögli- chen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. So ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier expliziten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Im Folgenden werden zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur näher beschrieben.

Die Figur zeigt eine beispielhafte Ausführungsform des Turbi ^¬ nensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung .

Detaillierte Beschreibung von exemplarischen Ausführungsfor ^¬ men

Gleiche oder ähnliche Komponenten sind in der Figur mit glei ^¬ chen Bezugsziffern versehen. Die Darstellung in der Figur ist schematisch und nicht maßstäblich.

Die Figur zeigt ein Turbinensystem 100, insbesondere ein Dampfturbinensystem, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Turbinensystem 100 weist eine Turbinenwelle 105, einen ersten Turbinenbereich 101 und einen zweiten Turbinenbereich 102 auf. Der zweite Turbinenbereich 101 ist in Axialrichtung 106 der Turbinenwelle 105 nach dem ersten Turbinenbereich 101 angeordnet.

Ferner weist das Turbinensystem 100 ein Gehäuse 110 mit einer Außenwand 113, einer ersten Trennwand 111 und einer zweiten Trennwand 112 auf. Die Außenwand 113 weist eine Ausdehnung entlang der Turbinenwelle 105 auf. Insbesondere verläuft die Außenwand 113 entlang des ersten Turbinenbereichs 101 und des zweiten Turbinenbereichs 102 in Axialrichtung 106. Die erste Trennwand 111 und die zweite Trennwand 112 sind jeweils mit der Außenwand 113 gekoppelt und weisen jeweils eine radiale Ausdehnung hin zu der Turbinenwelle 105 auf, so dass die ers ^¬ te Trennwand 111 die Ausdehnung des ersten Turbinenbereichs 101 in Axialrichtung 106 eingrenzt und die zweite Trennwand 112 die Ausdehnung des zweiten Turbinenbereichs in Axialrichtung eingrenzt.

Die erste Trennwand 111 ist von der zweiten Trennwand 112 entlang der Axialrichtung 106 derart beabstandet, dass ein Zwischenraum 104 gebildet ist, welcher zumindest von einem Teil der Außenwand 113 der ersten Trennwand 111 und der zwei ^¬ ten Trennwand 112 eingegrenzt ist. Die erste Trennwand 111 ist derart eingerichtet, dass ein erstes Arbeitsmedium AI mit einem ersten Arbeitsdruck PI aus dem ersten Turbinenbereich 101 in den Zwischenraum 104 einströmbar ist. Ferner ist die zweite Trennwand 112 derart eingerichtet, dass ein zweites Arbeitsmedium A2 mit einem zweiten Arbeitsdruck P2, welcher beispielsweise niedriger als der erste Arbeitsdruck PI ist, aus dem zweiten Turbinenbereich 102 in den Zwischenraum 104 einströmbar ist, so dass eine Fluidmischung Fm des ersten Arbeitsmediums AI und des zweiten Arbeitsmediums A2 in dem Zwi ^¬ schenraum 104 erzeugbar ist. Die erste Trennwand 111 und/oder die zweite Trennwand 112 kann beispielsweise einstückig zusammen mit der Außenwand 113 hergestellt werden, insbesondere mittels eines Gießverfah ^¬ rens. Darüber hinaus kann die erste Trennwand 111 und/oder die zweite Trennwand 112 separat bzw. unabhängig von der Au- ßenwand 113 gefertigt werden und nachträglich, beispielsweise mittels einer Schraubverbindung oder mittels Elektronen- strahlschweißens , mit der Außenwand 113 verbunden werden.

In dem ersten Turbinenbereich 101 befindet sich beispielswei- se eine Turbineneinrichtung 130, wie beispielsweise ein Rotor oder ein Stator, über welche das erste Arbeitsmedium AI Energie abgibt und diese in mechanische Energie umwandelt. Das erste Arbeitsmedium AI kann durch die erste Trennwand 111 durchströmen. Beispielsweise weist die erste Trennwand 111 eine Durchströmöffnung auf, oder, wie in der Figur dargestellt, einen ersten Spalt 114. Der erste Spalt 114 wird bei ^¬ spielsweise durch den Abstand des radialen Endes der ersten Turbinenwand 111 zur Turbinenwelle 105 definiert. In diesem ersten Spalt 114 kann ein Dichtelement 116, wie beispielswei ^¬ se eine Labyrinthdichtung, angeordnet sein. Durch die Dimensionierung des Spalts 114 und/oder die Dimensionierung des Dichtelements 116 kann ein erster Massenstrom ml des ersten Arbeitsmediums AI in dem Zwischenraum 104 gesteuert werden.

Entsprechend befindet sich in dem zweiten Turbinenbereich 102 das zweite Arbeitsmedium A2. Zwischen der zweiten Trennwand 112 und der Turbinenwelle 105 ist ein zweiter Spalt 115 bereitgestellt, durch welchen das zweite Arbeitsmedium A2 in den Zwischenraum 104 einströmt. Der zweite Massenstrom M2 des zweiten Arbeitsmediums A2 kann über die Dimensionierung des zweiten Spalts 115 und/oder über ein im zweiten Spalt 115 angeordnetes Dichtelement 116 eingestellt werden.

In dem Zwischenraum 104 vermischt sich das erste Arbeitsmedi ^¬ um AI und das zweite Arbeitsmedium A2 zu einer Fluidmischung Fm. Der Fluiddruck Pm der Fluidmischung Fm hängt einerseits von der Größe des ersten Massenstroms ml und des zweiten Mas ^¬ senstroms m2 ab. Der erste Massenstrom ml und der zweite Mas ^¬ senstroms m2 hängen wiederum von der Größe des Durchgangs in der ersten Trennwand 111 bzw. der zweiten Trennwand 112 ab und zusätzlich von dem ersten Arbeitsdruck PI und dem zweiten Arbeitsdruck P2. Zusätzlich hängt der Druck Pm der Fluidmischung Fm davon ab, wie viel Fluidmischung Fm beispielsweise über eine dritte Öffnung 119 aus dem Zwischenraum 104 abströmt .

Aufgrund der zugeführten ersten und zweiten Massenströme ml, m2 und aufgrund der ersten Temperatur Tl des ersten Arbeitsmediums AI und der zweiten Temperatur T2 des zweiten Arbeitsmediums A2 wird eine vorbestimmte Fluidtemperatur Tm in dem Zwischenraum 104 eingestellt. Die Fluidmischung Fm überträgt thermische Energie an den Bereich der Außenwand 113, welcher sich in longitudinaler Richtung (Axialrichtung 106) entlang des Zwischenraums 104 erstreckt. Beispielsweise herrscht in dem ersten Turbinenbereich 101 ein erster Arbeitsdruck von ungefähr 40-50 bar und eine erste Temperatur von ungefähr 300-400°C. In dem zweiten Turbinenbereich 102 kann über eine zweite Öffnung 118 das überhitzte zweite Arbeitsmedium A2 einströmen. In dem zweiten Turbinen- bereich 102 herrscht aufgrund der Parameter des zweiten Arbeitsmediums A2 beispielsweise ein Arbeitsdruck P2 von ca. 35-45 bar und eine zweite Temperatur T2 von ungefähr 500- 600°C. Entsprechend wird die Außenwand 113 in dem Bereich des ersten Turbinenbereichs 101 mit der ersten Temperatur Tl und die Außenwand 113 entlang des zweiten Turbinenbereichs 102 mit der zweiten Temperatur T2 aufgeheizt. Durch das Einströmen des ersten Arbeitsmediums AI und das Einströmen des zwei ^¬ ten Arbeitsmediums A2 in den Zwischenraum 104 stellt sich durch Regelung des ersten Massenstroms ml und des zweiten Massenstroms m2 eine Fluidtemperatur Tm von ca. 400-500°C ein. Die Fluidtemperatur Tm wird insbesondere so gewählt, dass ungefähr die mittlere Temperatur zwischen der ersten Temperatur Tl und der zweiten Temperatur T2 im Zwischenraum 104 eingestellt wird. Ferner stellt sich ein Fluiddruck Pm der Fluidmischung Fm in dem Zwischenraum 104 ein, welcher kleiner ist als der erste Arbeitsdruck PI und der zweite Arbeitsdruck P2, d.h. ungefähr 30 bis 40 bar. Die Außenwand 113 im Bereich des Zwischenraums 104 wird mit der Fluidtemperatur Tm der Fluidmischung Fm erwärmt. Damit weist die Außenwand 113 entlang des Zwischenraums 104 die entsprechende mittlere Temperatur auf, da die Außenwand 113 entlang des Zwischenraums 104 durch die Fluidmischung temperiert wird. Durch das Einbringen des Zwischenraums 104 ist somit die thermische Spannung in der Außenwand 113 in Axialrichtung 106 reduziert, da kleinere Temperatursprünge entstehen.

Die Figur zeigt, dass im ersten Turbinenbereich 101 die erste Öffnung 117 angeordnet ist, durch welche das erste Arbeitsme- dium AI ausströmen kann und beispielsweise einer Heizvorrichtung 109 (z.B. Zwischenüberhitzer) zuführbar ist.

In der Heizvorrichtung 109 wird der erste Arbeitsdruck PI weitestgehend konstant gehalten, während das erste Arbeitsme ^¬ dium AI auf die zweite Temperatur T2 erhitzt wird. Aus der Heizvorrichtung 109 strömt das zweite Arbeitsmedium A2 aus, welches nunmehr die zweite Temperatur T2 aufweist, welche im Allgemeinen höher als die erste Temperatur Tl ist.

Anschließend wird das zweite Arbeitsmedium A2 durch die zwei ^¬ te Öffnung 118 dem zweiten Turbinenbereich 102 zugeführt. Der zweite Arbeitsdruck P2 des zweiten Arbeitsmediums A2 ist auf ^¬ grund von Leitungsverlusten in der Regel etwas geringer als der erste Arbeitsdruck PI des ersten Arbeitsmediums AI .

In dem zweiten Turbinenbereich 102 wird Energie des zweiten Arbeitsmediums A2, beispielsweise über die Turbineneinrich ^¬ tung 130, in mechanische Energie umgesetzt.

Über die dritte Öffnung 119 strömt die Fluidmischung Fm aus. Zur Steuerung des Ausströmens der Fluidmischung Fm kann ein Steuerventil 107 an die dritte Öffnung 119 gekoppelt sein. Über das Steuerventil 107 wird das Ausströmen gezielt gesteu ^¬ ert, so dass ein vorbestimmter Fluiddruck Pm in dem Zwischenraum 104 herrscht. Dies erfolgt insbesondere dadurch, dass durch ein gezieltes Ausströmen der Fluidmischung Fm aus dem Zwischenraum 104 ein Zuströmen des ersten Arbeitsmediums AI mit dem ersten Massenstrom Ml und ein Zuströmen des zweiten Arbeitsmediums A2 mit dem zweiten Massenstrom M2 steuerbar ist. Je mehr Fluidmischung Fm durch die dritte Öffnung 119 ausströmt, desto geringer ist der Fluiddruck Pm, wodurch umso mehr von dem ersten Arbeitsmedium AI und dem zweiten Arbeitsmedium A2 in den Zwischenraum 104 einströmt.

Alternativ oder zusätzlich zum Steuerventil 107 kann eine Druckkammer 108 an die dritten Öffnung 119 gekoppelt sein. In der Druckkammer 108 wird die Fluidmischung Fm zwischengespei- chert und weiterverarbeitet. Ferner kann ebenfalls mittels der Druckkammer 108 ein gezieltes Ausströmen der Fluidmi- schung Fm durch die dritte Öffnung 119 eingestellt werden.

Die Fluidmischung Fm kann entweder der Umgebung zugeführt werden oder über eine Leitung durch eine vierte Öffnung 120 in einen dritten Turbinenbereich 103 eingeströmt werden. In diesem dritten Turbinenbereich 103 dient die Fluidmischung Fm als drittes Arbeitsmedium A3, welches einen dritten Arbeitsdruck P3 und eine dritte Temperatur T3 aufweist. In dem drit ^¬ ten Turbinenbereich 103 kann über Turbineneinrichtung 130 dem dritten Arbeitsmedium A3 Energie entzogen werden und in mechanische Energie umgewandelt werden.

Anstatt direkt in einem dritten Turbinenbereich 103 einzuströmen, kann die Fluidmischung Fm auch einem weiteren Zwischenraum zugeführt werden, welcher beispielsweise zwischen dem zweiten Turbinenbereich 102 und dem dritten Turbinenbereich 103 gebildet wird. Somit kann auch mittels des weiteren Zwischenraums thermische Spannungen an der Außenwand 113 re ^¬ duziert werden.

Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass "umfassend" keine an ^¬ deren Elemente oder Schritte ausschließt und "eine" oder "ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewie ^¬ sen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden kön ^¬ nen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.