Turbinendesign im Überlasteinströmbereich Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere Dampfturbine, umfassend einen Einströmbereich, einen drehbar gelagerten Rotor, ein Gehäuse, das um den Rotor angeordnet ist, wobei zwischen dem Rotor und dem Gehäuse ein Strömungs ^¬ kanal ausgebildet ist, durch den im Betrieb ein Strömungsme- dium in einer Strömungsrichtung strömt, wobei der Rotor Laufschaufeln und das Gehäuse Leitschaufeln umfassen, wobei die Strömungsmaschine einen Einströmbereich umfasst, wobei das Gehäuse einen zusätzlichen Überlasteinströmbereich aufweist, der in Strömungsrichtung nach dem Einströmbereich angeordnet ist und zum Zuströmen von Überlastdampf in den Strömungskanal ausgebildet ist, wobei die Leitschaufeln Deckbänder aufwei ^¬ sen .

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verhin- dern einer thermischen Überlastung im Überlasteinströmbereich einer Strömungsmaschine.

Moderne Kraftwerke werden mit Strömungsmaschinen wie z.B. Dampfturbinen betrieben, die besondere Anforderungen erfüllen müssen. Da die Betriebsweise fossiler Kraftwerke eine zuneh ^¬ mende Überlastfähigkeit erfordert, ist eine Flexibilisierung solcher Kraftwerke erforderlich. Ein Kraftwerk weist üblicherweise einen Dampferzeuger bzw. einen Dampf-Kessel auf. Von den Kraftwerksbetreibern wird in der Regel gefordert, dass der Druck im Kessel im Überlastbetrieb nicht bzw. nur wenig ansteigt. Dadurch kann der Kessel auf den Druck, der im Nennbetrieb erforderlich ist, kostengünstig ausgelegt werden. Bei einem reinen Gleitdruckbetrieb des Dampf-Kessels würde ein entsprechend hoher Kesseldruck erforderlich sein.

Hierzu ist es bekannt, eine Regelstufe zu verwenden, die im Nennbetrieb mit einem oder mehreren geschlossenen Düsengruppen betrieben wird. In einem Überlastbetrieb werden diese Ventile geöffnet, wodurch mehr Massenstrom durchgesetzt wer ^¬ den kann, ohne dass der Kesseldruck erhöht werden muss. Nachteilig ist hierbei, dass die Regelstufe konstruktiv aufwendig ist und dadurch einen kostenintensiven Faktor darstellt. Dazu kommt, dass im Nennbetrieb bzw. im Nennpunkt die vorgenannte Lösung einen ungünstigen Wirkungsgrad aufweist. Darüber hinaus erfordert diese Lösung eine aufwendige Ventilsteuerung mit vielen einzelnen Ventilen. Ein gängiger Ansatz ist es, eine so genannte Überlasteinlei ^¬ tung einzusetzen. Das bedeutet, dass zusätzlicher Dampf innerhalb des Schaufelpfads über ein im Nennbetrieb geschlosse ^¬ nes Ventil zugeführt wird. Dadurch wird der Dampfmassenstrom erst ab einer Stufe des Schaufelpfads erhöht. Dies wird auch unter dem Begriff Stufenüberbrückung bezeichnet.

Der Kesseldruck lässt sich dadurch konstant halten.

Darüber hinaus ist im Nennpunkt ein besserer Wirkungsgrad er- reichbar, da hier die Ventile im Nennpunkt voll geöffnet be ^¬ trieben werden können. Bei Betrieb der Überlasteinleitung ändert sich die Temperaturverteilung im Schaufelpfad: insbesondere an der Stelle der Dampfeinleitung resultiert ein Tempe ^¬ ratursprung an der Welle. Diese Temperaturen führen in der Regel zu thermischen Spannungen in der Welle und den angrenzenden Schaufelnuten. Dies könnte dazu führen, dass aufgrund der thermischen Spannungen häufige Lastwechselbetrieben zwischen einem Nennbetrieb und einem Überlastbetrieb zu einer bleibenden Schädigung der Welle führen kann.

Je nach konstruktiver Ausführung der Dampfeinleitung kann die thermische Belastung der Welle durch weitere Effekte ungüns ^¬ tig beeinflusst werden. Wird z. B. die Dampfeinleitung über radiale Bohrungen konstruktiv realisiert, so wird die thermi- sehe Belastung zudem erhöht. Der zugeführte Überlastdampf wird durch die radialen Bohrungen radial einwärts in die Hauptströmung injiziert. Der Überlastdampf weist eine höhere Temperatur auf als vor dem Eintritt der Turbine herkommende Dampf der Hauptströmung. Dadurch mischt sich der Dampf nicht sofort mit dem Dampf der Überlastdampfeinströmung sondern durchdringt radial den gesamten Strömungspfad und trifft auf die Wellenoberfläche auf. Infolge des herrschenden Drucks und der auftretenden Dampfgeschwindigkeit wird ein sehr hoher Wärmeübergangskoeffizient zwischen Welle und Zudampf er ^¬ reicht .

Es ist daher bekannt, die Leistung der Überlasteinleitung zu begrenzen und dadurch die resultierenden Temperaturunterschiede zu minimieren.

Es ist des Weiteren bekannt, den Lastgradienten, mit dem die Überlasteinleitung auf Leistung gefahren wird, zu begrenzen, um den Temperaturgradienten zeitlich zu strecken und dadurch die resultierenden Spannungen zu begrenzen. Allerdings ist eine Begrenzung des Lastgradienten in der Regel nicht erwünscht . Darüber hinaus ist es bekannt, die Welle im Bereich der Über ^¬ lasteinleitung, z.B. durch Entlastungsnuten speziell zu gestalten, um dadurch die thermischen Spannungen in der Welle abzumildern . Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, eine flexible ^¬ re Fahrweise einer Strömungsmaschine insbesondere Dampfturbi ^¬ ne zu ermöglichen.

Gelöst wird dies dadurch, dass im Bereich der Überlasteinlei- tung eine konstruktiv modifizierte Leitschaufel zum Einsatz kommt, die so gestaltet ist, dass sie im Bereich der Über ^¬ lasteinleitung die Welle vom eintretenden zugeführten Überlastdampf abschirmt. Dazu wird die Deckplatte der nachfolgen ^¬ den Leitreihe stromauf über die Überlasteinleitung hinweg verlängert.

Die Erfindung ist nicht auf Überlasteinströmbereiche be ^¬ grenzt, sondern kann an beliebigen Stellen in der Strömungs- maschine eingesetzt werden, nicht nur mit dem Ziel des Über ^¬ lastbetriebes .

Die Aufgabe wird somit durch eine Strömungsmaschine, insbe- sondere Dampfturbine, umfassend einen Einströmbereich, einen drehbar gelagerten Rotor, ein Gehäuse, das um den Rotor angeordnet ist, wobei zwischen dem Rotor und dem Gehäuse ein Strömungskanal ausgebildet ist, durch den im Betrieb ein Strömungsmedium in einer Strömungsrichtung strömt, wobei der Rotor Laufschaufeln und das Gehäuse Leitschaufeln umfasst, wobei die Strömungsmaschine einen Einströmbereich aufweist, wobei das Gehäuse einem zusätzlichen Überlasteinströmbereich aufweist, wobei der Überlasteinströmbereich durch Bohrungen im Innengehäuse gebildet ist, der in Strömungsrichtung nach dem Einströmbereich angeordnet ist und zum Zuströmen von

Überlastdampf in den Strömungskanal ausgebildet ist, wobei die Leitschaufeln Deckbänder aufweisen, wobei im Betrieb der Überlastdampf durch die Deckbänder am Aufteffen auf den Rotor im Überlasteinströmbereich gehindert ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. So wird in einer ersten vorteilhaften Weiterbildung das Deckband an der Leitschaufelspitze angeordnet. In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist das

Deckband im Wesentlichen zur Rotoroberfläche ausgebildet, was zu einer besseren aerodynamischen Wirkung führt, da der Dampf aus der Hauptströmung und der Dampf aus der Überlasteinrichtung sich optimal durch das Deckband leiten lässt.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist das

Deckband von der Leitschaufelspitze bis zur benachbarten Laufschaufei ausgebildet. Dadurch wird die Wellenoberfläche insbesondere in diesem Bereich thermisch gut geschützt, was zu einer flexibleren Fahrweise der Dampfturbine führt. In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist das

Deckband materialeinheitlich mit der Leitschaufel ausgebil ^¬ det. Dadurch ist eine stabilere Konstruktion möglich.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der gesamte Leitschaufelkranz als integrales Bauteil, z. B. in Form zwei ^¬ er Halbringe, ausgebildet. Dadurch ist eine stabilere Kon ^¬ struktion möglich, die zudem thermisch vom Gehäuse entkoppelt, beispielsweise thermisch beweglich eingehängt wird, ausgeführt werden kann.

Darüber hinaus ist zwischen dem Deckband und der Rotoroberfläche eine Labyrinthdichtung angeordnet. Dies hat den Vor ^¬ teil, dass ein Dampf, der zwischen dem Deckband und der Wellenoberfläche gelangt, abgebremst wird, denn solch ein Dampf ist in der Regel ein Verlustdampf und wirkt sich negativ auf den Wirkungsgrad aus.

Darüber hinaus wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Verhinderung einer thermischen Überbelastung im

Überlasteinströmbereich einer Strömungsmaschine, insbesondere Dampfturbine, wobei der in den Überlasteinströmbereich einströmende Überlastdampf durch ein an der Spitze der Leitschaufel angeordnetes Deckband am Auftreffen auf die Rotor ^¬ oberfläche im Überlasteinströmbereich gehindert 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 Ausführungsbei- spiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.

Die Erfindung wird nachfolgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese sollen die Ausführungsbeispiele nicht maß ^¬ geblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung nur zur Erläu terung 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 eine schematische Darstellung einer Kraftwerksanla ^¬ ge umfassend eine Dampfturbine;

Figur 2 schematische Darstellung eines

Überlasteinströmbereiches gemäß dem Stand der Tech nik;

Figur 3 eine erfindungsgemäße Gestaltung des

Einströmbereiches ;

Figur 4 eine Querschnittsansicht des Innengehäuses.

Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Kraft ^¬ werksanlage umfassend eine Dampfturbine 2, die aus einer Hochdruck-Teilturbine 2a, einer Mitteldruck-Teilturbine 2b, und einer Niederdruck-Teilturbine 2c ausgebildet ist. Des Weiteren umfasst die Kraftwerksanlage 1 einen Dampferzeuger 3. In dem Dampferzeuger 3 wird Dampf erzeugt, der durch die Verwendung von fossilen Brennstoffen erzeugt wird. Der im Dampferzeuger erzeugte Dampf strömt über eine Frischdampflei ^¬ tung 4 über ein Frischdampfventil 5 in einen Einströmbereich 6 der Hochdruck-Teilturbine 2a. Der Dampf strömt dann an ^¬ schließend in einen Strömungskanal (in Figur 1 nicht näher dargestellt) durch die Hochdruck-Teilturbine und strömt am Ausgang 7 der Hochdruck-Teilturbine 2a in eine kalte

Zwischenüberhitzerleitung 8. Anschließend strömt der Dampf zu einem Zwischenüberhitzer 9 und wird dort auf eine höhere Temperatur gebracht. Anschließend strömt der Dampf über eine heiße Zwischenüberhitzerleitung 10 zum Einströmbereich 11 der Mitteldruck-Teilturbine 2b. Dort entspannt der Dampf, wobei die thermische Energie des Dampfes in Rotationsenergie des Rotors umgewandelt wird. Anschließend strömt der Dampf über den Mitteldruckausgang 12 in eine Überströmleitung 13 zur Niederdruck-Teilturbine 2c. Von dort strömt der Dampf über den Ausgang 14 der Niederdruck-Teilturbine 2c zu einem Kon ^¬ densator 15 und kondensiert dort wieder zu Wasser. Anschlie ^¬ ßend wird das Wasser über die Pumpe 16 wieder zum Dampferzeu- ger 3 geführt und dort wieder in Dampf umgewandelt.

Zusätzlich zum Einströmbereich 6 weist die Hochdruck- Teilturbine 2a einen Überlasteinströmbereich 17 auf. Dieser Überlasteinströmbereich 17 ist mit einem Überlastventil 18 strömungstechnisch verbunden. Das Überlastventil 18 ist mit einer Überlastleitung 19 strömungstechnisch verbunden. Die Frischdampfleitung 4 weist eine Abzweigung 20 auf, wobei ein Teil des Dampfes in der Frischdampfleitung 4 zum

Einströmbereich 6 abgelenkt wird und ein weiterer Teil in die Überlastleitung 19 abgelenkt wird.

Die Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils einer Dampfturbine gemäß dem Stand der Technik. Die in Figur 2 dargestellte Dampfturbine weist einen Rotor 21 auf, der um eine Rotationsachse 22 drehbar angeordnet ist. Auf der Rotor ^¬ oberfläche 23 sind in so genannten Schaufelnuten 24 Laufschaufeln 25 angeordnet. Die Laufschaufeln 25 weisen Laufschaufelfüße 26 auf, die in die Schaufelnuten 24 angeordnet sind .

Um den Rotor 21 ist ein Gehäuse, hier ein Innengehäuse 27 angeordnet. Zwischen dem Innengehäuse 27 und dem Rotor 21 ist ein Strömungskanal 28 ausgebildet. Im Betrieb strömt ein Dampf in einer Strömungsrichtung 29 den Strömungskanal 28 entlang. Am Innengehäuse 27 sind so genannte Leitschaufeln

30 angeordnet. Die Leitschaufeln 30 weisen Leitschaufelfüße

31 auf, die in Schaufelnuten im Innengehäuse 27 angeordnet sind. Der Strömungskanal 28 führt entlang eines Schaufelpfa ^¬ des, der zwischen den Leitschaufeln 30 und Laufschaufeln 25 ausgebildet ist.

Der Einströmbereich ist in der Figur 2 nicht näher dargestellt, in bestimmten Betriebsfällen ist es erforderlich, den Dampf aufzuteilen, der dann über die Frischdampfleitung 4 zur Überlastleitung 19 geführt wird und von dort in einen

Überlasteinströmbereich 17 geführt wird.

Der Überlasteinströmbereich 17 weist mehrere Bohrungen 40 auf. Diese Bohrungen 40 sind im Innengehäuse angeordnet. In den Figuren 2 und 3 sind die Bohrungen 40 im Querschnitt dargestellt, deswegen ist lediglich eine Bohrung 40 zu erkennen.

Das Innengehäuse 27 ist um die Rotationsachse 22 ausgebildet. Daher weist das Innengehäuse 27 eine Umfangsrichtung auf, die in den Figuren 2 und 3 nicht dargestellt ist. Die Figur 4 zeigt eine Querschnittsansicht des Innengehäuses 27, wobei die Darstellung des Innengehäuses 27 einen senkrechten Schnitt durch die Rotationsachse 22 zeigt. In der Um- fangsrichtung 41 des Innengehäuses 27, wobei die Umfangsrich- tung 41 um die Rotationsachse 22 zeigt, sind Bohrungen 40 an- geordnet. Diese Bohrungen 40 können in äquidistanten Abständen entlang der Umfangsrichtung 41 angeordnet sein.

Wie in Figur 2 dargestellt, kommt der Überlastdampf aus der Überlastleitung 19 in den Strömungskanal 28. Dabei strömt der Überlastdampf 32 mehr oder weniger in einer radialen Richtung 33 in Richtung der Rotoroberfläche 23. Dadurch wird die Ro ^¬ toroberfläche 23 thermisch stark belastet. Es ist daher gemäß dem Stand der Technik üblich, im Bereich des

Einströmbereiches 17, der durch einen Abstand zwischen einer ersten Laufschaufel 34 und einer zweiten Laufschaufel 35 cha ^¬ rakterisiert ist, Entlastungsnuten 36 anzuordnen.

Die Figur 3 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung des

Einströmbereiches 6 der Dampfturbine 2.

Bauteile mit gleicher Wirkungsweise weisen dieselben Bezugs ^¬ zeichen auf. Der Unterschied des Einströmbereiches 6 wie er in der Figur 3 dargestellt ist, gegenüber dem Einströmbereich 6 wie er in der Figur 2 dargestellt ist, ist, dass im Betrieb der Über ^¬ lastdampf 32 durch ein Deckband 37, das an der Leitschaufel- spitze 38 angeordnet ist, am Auftreffen auf den Rotor 21 ge ^¬ hindert ist. Der heiße Überlastdampf 32 trifft somit nicht mehr direkt auf die Rotoroberfläche 23 auf, sondern wird durch das Deckband 37 daran gehindert. Das Deckband 37 ragt hierbei von der Leitschaufelspitze 38 bis zur nächsten Lauf- schaufei 34. Die erste Laufschaufei 34 ist zur Leitschaufel 30 benachbart angeordnet. Das Deckband ist materialeinheit ^¬ lich mit der Leitschaufel 30 ausgebildet.

Das Deckband 37 ist Stoffschlüssig mit der Leitschaufel 30 verbunden.

Zwischen dem Deckband 37 und der Rotoroberfläche 23 ist eine Labyrinthdichtung 39 ausgebildet. Der Überlasteinströmbereich 17 ist in Strömungsrichtung nach dem Einströmbereich 6 angeordnet.

Die Strömungsmaschine gemäß Figur 3 wird zur Verhinderung ei ^¬ ner thermischen Überlastung im Überlasteinströmbereich 17 ei- ner Strömungsmaschine, insbesondere Dampfturbine eingesetzt, wobei der in dem Überlasteinströmbereich 17 einströmende Überlastdampf 32 durch ein an der Spitze der Leitschaufel 38 am Auftreffen auf die Rotoroberfläche 23 im

Überlasteinströmbereich 17 gehindert wird.

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 .