DAMPFTURBINE IN DREISCHALIGER BAUWEISE

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine umfassend einen um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, ein um den Rotor angeordnetes inneres Innengehäuse und ein äußeres

Innengehäuse, wobei um das innere Innengehäuse und das äußere Innengehäuse ein Außengehäuse angeordnet ist, wobei die

Strömungsmaschine eine für Hochdruckdampf ausgebildete erste Flut und eine für Mitteldruckdampf ausgebildete zweite Flut aufweist, wobei die zweite Flut entgegengesetzt zur ersten Flut ausgerichtet ist.

Unter einer Strömungsmaschine wird beispielsweise eine Dampf ^¬ turbine verstanden. Eine Dampfturbine weist üblicher Weise einen drehbar gelagerten Rotor und ein Gehäuse, das um den Rotor angeordnet ist auf. Zwischen dem Rotor und dem Innengehäuse ist ein Strömungskanal ausgebildet. Das Gehäuse in einer Dampfturbine muss mehrere Funktionen erfüllen können. Zum einen werden die Leitschaufeln im Strömungskanal am Gehäuse angeordnet und zum zweiten muss das Innengehäuse den Druck und den Temperaturen des Strömungsmediums für alle Last- und besondere Betriebsfälle standhalten. Bei einer Dampfturbine ist das Strömungsmedium Dampf. Des Weiteren muss das Gehäuse derart ausgebildet sein, dass Zu- und Abführun ^¬ gen, die auch als Anzapfungen bezeichnet werden, möglich sind. Eine weitere Funktion, die ein Gehäuse erfüllen muss, ist die Möglichkeit, dass ein Wellenende durch das Gehäuse durchgeführt werden kann.

Bei den im Betrieb auftretenden hohen Spannungen, Drücken und Temperaturen ist es erforderlich, dass die Werkstoffe geeig ^¬ net ausgewählt werden sowie die Konstruktion derart gewählt ist, dass die mechanische Integrität und Funktionalität er ^¬ möglicht wird. Dafür ist es erforderlich, dass hochwertige Werkstoffe zum Einsatz kommen, insbesondere im Bereich der Einströmung und der ersten Leitschaufelnuten.

Für die Anwendungen bei Frischdampftemperaturen von über 650°C, wie z.B. 700°C, sind Nickel-Basis-Legierungen geeignet, da sie den bei hohen Temperaturen auftretenden Belastungen standhalten. Allerdings ist die Verwendung einer solchen Nickel-Basis-Legierung mit neuen Herausforderungen verbunden. So sind die Kosten für Nickel-Basis-Legierungen vergleichs- weise hoch und außerdem ist die Fertigbarkeit von Nickel- Basis-Legierungen, z.B. durch beschränkte Gussmöglichkeit be ^¬ grenzt. Dies führt dazu, dass die Verwendung von Nickel- Basis-Werkstoffen minimiert werden muss. Des Weiteren sind die Nickel-Basis-Werkstoffe schlechte Wärmeleiter. Dadurch sind die Temperaturgradienten über der Wandstärke so starr, dass Thermospannungen vergleichsweise hoch sind. Des Weiteren ist zu berücksichtigen, dass bei der Verwendung von Nickel- Basis-Werkstoffen die Temperaturdifferenz zwischen Ein- und Auslass der Dampfturbine steigt.

Es werden derzeit verschiedene Konzepte verfolgt, um eine Dampfturbine bereitzustellen, die für hohe Temperaturen und für hohe Drücke geeignet ist. So ist es bekannt, eine aus mehreren Teilen umfassende Innengehäusestruktur in eine

Außengehäusestruktur einzuarbeiten gemäß dem Artikel Y.

Tanaka et al . "Advanced Design of Mitsubishi Large Steam Turbines", Mitsubishi Heavy Industries, Power Gen Europe, 2003, Düsseldorf, May 06.-08., 2003.

Es ist ebenso bekannt, ein Innengehäuse aus zwei Teilen aus- zubilden gemäß DE 10 2006 027 237 AI.

In der DE 342 1067 wird ebenfalls eine mehrkomponentige

Innengehäusestruktur offenbart sowie in der DE 103 53 451 AI.

In einer besonderen Ausführungsform der Strömungsmaschine sind der Hochdruck-Teil und der Mitteldruck-Teil in einem Außengehäuse untergebracht. Der Hochdruck-Teil wird mit

Frischdampf beaufschlagt, der in der Regel die höchsten

Dampfparameter wie Temperatur und Druck aufweist und direkt vom Dampferzeuger zur Hochdruck-Teilturbine strömt. Der aus dem Hochdruck-Teil nach Expansion ausströmende Dampf wird wiederum aus der Dampfturbine geleitet und zu einer

Zwischenüberhitzereinheit eines Kessels geführt, um dort wieder auf eine höhere Temperatur, die der

Frischdampftemperatur entsprechen kann, zu erhitzen. Dieser zwischenüberhitzte Dampf wird anschließend wieder in die Strömungsmaschine in den Mitteldruck-Teil geleitet und strömt anschließend durch eine Mitteldruck-Beschaufelung. Der

Hochdruck-Teil und der Mitteldruck-Teil weisen hierbei entgegengesetzt angeordnete Strömungsrichtungen auf. Solche Ausführungsformen werden Reverse-Flow-Strömungsmaschinen genannt. Es sind aber auch Strömungsmaschinen bekannt, die in einer so genannten Single-Flow-Bauart gefertigt werden. In dieser Bauart ist der Hochdruck-Teil und der Mitteldruck-Teil nacheinander angeordnet und wird in derselben

Strömungsrichtung durchströmt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine weitere Möglichkeit anzubieten, eine Strömungsmaschine auszubilden.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen angegeben .

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung ist es, eine

dreischalige Dampfturbine auszubilden. Das Innengehäuse wird hierbei in ein inneres Innengehäuse und ein äußeres

Innengehäuse ausgebildet. Das innere Innengehäuse ist im Bereich des Einströmbereichs angeordnet und muss daher den hohen Temperaturen und den hohen Drücken standhalten. Daher ist das innere Innengehäuse aus einem geeigneten Material, wie z.B. aus einer Nickel-Basislegierung oder aus einem höherwertigen Werkstoff wie z.B. einen Stahl, der 9 - 10 Gew.-% Chrom umfasst. Zwischen dem inneren Innengehäuse und dem Rotor ist der Strömungskanal ausgebildet. Das innere Innengehäuse weist daher Vorrichtungen wie z.B. Nuten, um darin Leitschaufeln zu tragen. Um das Innengehäuse ist ein äußeres Innengehäuse angeordnet. Wesentlich hierbei ist, dass zwischen dem inneren Innengehäuse und dem äußeren

Innengehäuse ein Kühldampfräum entsteht, der mit Kühlmedium beaufschlagt wird. Das äußere Innengehäuse ist dabei derart ausgebildet, dass es in Strömungsrichtung gesehen, an das innere Innengehäuse angrenzt und eine Begrenzung des

Strömungskanals darstellt, wobei auch in dem äußeren

Innengehäuse Vorrichtungen wie z.B. Nuten, vorgesehen sind, um Leitschaufeln tragen zu können.

Das äußere Innengehäuse wird durch Dampfeinleitung in den Kühldampfräum mit einem Dampf beaufschlagt, der eine

geringere Temperatur und einen geringeren Druck aufweist, so dass das Material des äußeren Innengehäuses weniger warmfest sein muss als das Material des inneren Innengehäuses.

Insbesondere genügt es, wenn das äußere Innengehäuse aus einem weniger hochwertigen Werkstoff ausgebildet ist. Um das innere Innengehäuse und dem äußeren Innengehäuse ist ein Außengehäuse angeordnet.

Die Strömungsmaschine weist eine erste Flut auf, die mit einem Hochdruckdampf beaufschlagt wird und in einer ersten Strömungsrichtung strömt. Des Weiteren weist die

Strömungsmaschine eine zweite Flut auf, die mit

Mitteldruckdampf beaufschlagt wird und in einer zweiten

Strömungsrichtung strömt. Die zweite Strömungsrichtung ist entgegengesetzt zur ersten Strömungsrichtung, so dass diese Strömungsmaschine in einer so genannten Reverse-Flow-Bauart ausgebildet ist. Der Hochdruck-Einströmbereich und der

Mitteldruck-Einströmbereich werden von einem inneren

Innengehäuse umgeben bzw. ausgebildet. Das innere

Innengehäuse wird aus einem höherwertigen Material gefertigt und nimmt nur die Hochdruck- und Mitteldruck-Einströmung inklusive dem Ausgleichskolben sowie den Leitschaufelnuten bis zu der Stufe auf, die aus Temperatur- und

Festigkeitsgründen unbedingt notwendig ist. Dadurch kann das innere Innengehäuse kompakt gehalten platzsparend gefertigt werden und weist darüber hinaus ein geringeres Gewicht auf.

Zum Zuströmen von Kühldampf in den Kühldampfräum ist eine KühldampfStrömungsleitung vorgesehen. Die

KühldampfStrömungsleitung ist strömungstechnisch mit der zweiten Flut verbunden. Das bedeutet, dass der Mitteldruck- Dampf vorwiegend in den Kühldampfräum eingeströmt wird, der ideale Dampfparameter aufweist, um das innere Innengehäuse adäquat zu kühlen.

Die erste Flut weist einen Hochdruck-Ausströmbereich und die zweite Flut einen Mitteldruck-Ausströmbereich auf, wobei das äußere Innengehäuse sich von dem Hochdruck-Ausströmbereich bis zum Mitteldruck-Ausströmbereich erstreckt. Das äußere Innengehäuse erstreckt sich daher nahezu über den gesamten Beschaufelungsbereich des Rotors, wobei das äußere

Innengehäuse Vorrichtungen aufweist, um Leitschaufeln zu tragen. Allerdings wird nicht der gesamte Strömungsbereich mit Leitschaufeln im äußeren Innengehäuse ausgebildet. Im Bereich des inneren Innengehäuses, sind im äußeren

Innengehäuse keine Leitschaufeln angeordnet. In diesem

Bereich wird das innere Innengehäuse durch das äußere

Innengehäuse ummantelt. Das äußere Innengehäuse wird hierbei aus einem Oberteil und einem Unterteil ausgebildet. Das

Oberteil als auch das Unterteil sind wiederum aus einem Stück ausgebildet und erstrecken sich über die erste und zweite Flut .

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das äußere

Innengehäuse entlang der ersten Flut und der zweiten

ausgebildet .

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist zwischen dem inneren Innengehäuse und dem äußeren Innengehäuse ein Kühldampfräum ausgebildet. Der zwischen dem inneren Innengehäuse und dem äußeren Innengehäuse im Betrieb befindliche Kühldampf stellt gleichzeitig die Isolierung zum äußeren Innengehäuse dar, welches den Kühldampfräum und das innere Innengehäuse umschließt und den Expansionspfad hinter der

Kühldampfentnähme ausbildet. Das äußere Innengehäuse befindet sich im Kontakt zu diesem Kühldampf und kann daher aus einem minderwertigeren Material als das innere Innengehäuse

gefertigt bzw. ausgebildet sein. Darüber hinaus werden die Primär- und Sekundärspannungen im äußeren Innengehäuse lediglich durch die Differenz zwischen dem Dampfzustand des Dampfes im Kühldampfräum und des Mitteldruck-Abdampfes beeinflusst. Primärspannungen sind mechanische Spannungen, die in Folge von äußeren Lasten, z.B. durch Dampfdrücke, Gewichtskräfte und ähnliches entstehen. Unter

Sekundärspannungen sind beispielsweise Thermospannungen zu verstehen und stellen mechanische Spannungen dar, die in Folge von nicht ausgeglichenen Temperaturfeldern oder

Behinderungen der Wärmedehnungen (thermische Verzwängungen) entstehen .

Die Strömungsmaschine wird unter anderem im Kühldampfräum mit einer Entwässerungsleitung ausgebildet, die bei einem

Stillstand oder Startvorgang ein anfallendes

Kondensationswasser ableitet oder bei einem Ausfall einer Anzapfung, welche durch Dampfentnähme über Stutzen aus dem Kühlraum beispielhaft realisiert sein könnte, eine

ausreichende Restbeströmung sicherstellt.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Kühldampfräum mit einer Kühldampfausströmungsleitung zum Ausströmen von Kühldampf aus dem Kühldampfräum ausgebildet. Durch das im Betrieb fortwährende Ausströmen des Kühldampfes aus dem

Kühldampfräum wird eine sehr gute Kühlung erwirkt, wodurch die Werkstoffauslastungen (insbesondere Primär- und

Sekundärspannungen) in der Strömungsmaschine geringer werden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Hochdruck- Ausströmbereich mit einer Zwischenüberhitzerleitung

verbunden. Dadurch kann der Hochdruckdampf zu einem

Zwischenüberhitzer geleitet werden und von einer niedrigen Temperatur auf eine hohe Temperatur erhitzt werden. Das innere Innengehäuse ist hierbei aus einem höherwertigen Werkstoff ausgebildet als das äußere Innengehäuse. Das innere Innengehäuse ist in einer ersten Ausführungsform aus einem hochchromigen Werkstoff, der 9 - 10 Gew.-% Chrom umfasst ausgebildet. In einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung ist das Innengehäuse aus einem Nickel-Basiswerkstoff ausgebildet. Das äußere Innengehäuse ist aus einem Werkstoff, der 1 - 2 Gew.-% Chrom umfasst ausgebildet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese sollen die

Ausführungsbeispiele nicht maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung in schematisierter und/oder leicht

verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird hier auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen.

Im Einzelnen zeigt die Zeichnung in:

Figur 1 eine Schnittdarstellung durch eine zweiflutige

Dampfturbine .

Die in Figur 1 dargestellte Dampfturbine 1 ist eine

Ausführungsform einer Strömungsmaschine. Die Dampfturbine 1 umfasst ein Außengehäuse 2, ein inneres Innengehäuse 3, ein äußeres Innengehäuse 4 sowie einen drehbar gelagerten Rotor 5 auf. Der Rotor 5 ist um eine Rotationsachse 6 drehbar

gelagert. Das Außengehäuse 2 ist aus einem Oberteil und einem Unterteil ausgebildet, wobei das Oberteil oberhalb der

Rotationsachse 6 und das Unterteil unterhalb der

Rotationsachse 6 in der Zeichenebene dargestellt ist. Sowohl das innere Innengehäuse 3 und das äußere Innengehäuse 4 weist ebenfalls ein Oberteil und ein Unterteil auf, das wie beim Außengehäuse 2 ausgeführt, oberhalb und unterhalb der

Rotationsachse 6 angeordnet ist. Somit weisen das innere Innengehäuse 3, das äußere Innengehäuse 4 und das

Außengehäuse 2 jeweils eine horizontale Teilfuge auf. Im Betrieb strömt ein Hochdruckdampf in einen Hochdruck- Einströmbereich 7. Anschließend strömt der Hochdruckdampf entlang einer ersten Strömungsrichtung 9 durch eine nicht näher dargestellte Beschaufelung 8, die Leitschaufeln und

Laufschaufeln umfasst. Die Laufschaufeln sind hierbei auf dem Rotor 5 und die Leitschaufeln am inneren Innengehäuse 3 und äußeren Innengehäuse 4 angeordnet. Die Temperatur und der Druck des Hochdruckdampfes werden dadurch verringert. Der Hochdruckdampf strömt anschließend aus einem Hochdruck- Ausströmbereich 10 aus der Strömungsmaschine zu einer nicht näher dargestellten Zwischenüberhitzereinheit. Des Weiteren nicht dargestellt, ist die strömungstechnische Verbindung zwischen dem Hochdruckausströmbereich 10 und der

Zwischenüberhitzereinheit.

Nachdem der Hochdruckdampf nach der Zwischenüberhitzung wieder auf hohe Temperatur erhitzt wurde, strömt dieser Dampf als Mitteldruckdampf über einen Mitteldruck-Einströmbereich 11 entlang einer zweiten Strömungsrichtung 12 entlang einer

Mitteldruck-Beschaufelung 13. Die Mitteldruckbeschaufelung 13 weist nicht näher dargestellte Leit- und Laufschaufeln auf. Die Laufschaufeln sind hierbei auf dem Rotor 5 und die

Leitschaufeln am inneren Innengehäuse 3 und äußeren

Innengehäuse 4 angeordnet. Der durch die Mitteldruck- Beschaufelung 13 strömende Mitteldruckdampf strömt

anschließend aus einem Mitteldruck-Ausströmbereich 14 aus dem äußeren Innengehäuse 4 aus und strömt anschließend über ein Ausströmstutzen 15 aus der Strömungsmaschine 1 heraus. Das innere Innengehäuse 3 und das äußere Innengehäuse 4 sind um den Rotor 5 angeordnet. Um das innere Innengehäuse 3 und das äußere Innengehäuse 4 ist das Außengehäuse 2 angeordnet. Das innere Innengehäuse 3 ist im Bereich des Hochdruck- Einströmbereiches 7 und dem Mitteldruck-Einströmbereiches 11 ausgebildet. Da im Hochdruck-Einströmbereich 7 und im

Mitteldruck-Einströmbereich 11 die Temperaturen des Dampfes am höchsten sind, wird das innere Innengehäuse 3 aus einem höherwertigen Material gefertigt. In einer ersten Ausführungsform wird das innere Innengehäuse 3 aus einer Nickel-Basis-Legierung ausgebildet. In einer zweiten

Ausführungsform wird das innere Innengehäuse 3 aus einem höherwertigen Material, das 9 - 10 Gew.-% Chrom umfasst, ausgebildet. Das äußere Innengehäuse 4 kann aus einem weniger hochwertigen Material ausgebildet sein. In einer

Ausführungsform kann das innere Außengehäuse aus einem Stahl mit 1 - 2 Gew.-% Chrom ausgebildet sein.

Das äußere Innengehäuse 4 erstreckt sich zumindest vom

Hochdruckausströmbereich 10 entlang der Rotationsachse 6 bis zum Mitteldruck-Ausströmbereich 14. Das bedeutet, dass das innere Innengehäuse 3 im Bereich des Hochdruck- Einströmbereichs 7 und dem Mitteldruck-Einströmbereich 11 innerhalb des äußeren Innengehäuses 4 angeordnet wird.

Zwischen dem inneren Innengehäuse 3 und dem äußeren

Innengehäuse 4 ist ein Kühldampfräum 16 ausgebildet. Dieser Kühldampfräum 16 ist mit einer KühldampfStrömungsleitung zum Zuströmen von Kühldampf ausgebildet. Der Kühldampf 16 wird an einer geeigneten Stelle aus der Mitteldruck-Beschaufelung 13 entnommen und kann beispielsweise an einen Spalt 17 zwischen dem inneren Innengehäuse 3 und dem äußeren Innengehäuse 4 entnommen werden. Dabei muss der Kühldampfräum 16 zur

Beschaufelung 8 abgedichtet werden. Der Kühldampf könnte wahlweise über den Spalt 17 aus der Mitteldruck-Beschaufelung 13 oder über einen zweiten Spalt 22 aus der Beschaufelung 8 versorgt werden. Die jeweils andere Seite müsste durch eine geeignete erste Abdichtung 23 bzw. zweite Abdichtung 24 verschlossen werden.

Das äußere Innengehäuse 4 ist entlang der ersten Flut 18 und der zweiten Flut 19 ausgebildet. Die

KühldampfStrömungsleitung ist in der Figur nicht näher dargestellt. Das äußere Innengehäuse 4 weist eine

Kühldampfausströmungsleitung zum Ausströmen von Kühldampf aus dem Kühldampfräum 16 auf. Das innere Innengehäuse 3 nimmt mit anderen Worten den Hochdruck-Einströmbereich 7 und den

Mitteldruck-Einströmbereich 11 inklusive einem Ausgleichskolben 20 und nicht näher dargestellte Leitschaufelnuten bis zu der Stufe auf, die aus Temperatur- und Festigkeitsgründen unbedingt notwendig ist. Das innere Innengehäuse 3 ist dadurch verhältnismäßig klein und somit kostensparend und bietet wegen der geringen Tonnage eine Verbreiterung der potentiellen Lieferanten.

Der aus dem Kühldampfräum 16 wieder ausströmende Kühldampf führt zu einer guten Kühlwirkung. Dieser ausströmende

Kühldampf kann beispielweise durch das äußere Innengehäuse 4 in einen Abdampfräum 21 geführt oder z.B. durch eine

Anzapfung abgeführt werden. Das innere Innengehäuse 3 und das äußere Innengehäuse 4 werden gegeneinander mittels Dichtungen abgedichtet. Im Kühldampfräum 16 ist eine nicht näher

dargestellte Entwässerungsleitung, die bei einem Stillstand oder Startvorgang der Dampfturbine 1 ein anfallendes

Kondenswasser ableitet oder bei einem Ausfall der Anzapfung eine ausreichende Restdurchströmung sicherstellt. Das innere Innengehäuse 3, das äußere Innengehäuse 4 und das Außengehäuse 2 sind drucktragend ausgebildet.