Beschreibung Verfahren zur Kühlung einer Welle in einem Hochdruck- Expansionsabschnitt einer Dampfturbine Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung einer Welle in einem Hochdruck-Expansionsabschnitt einer Dampfturbine, wobei in einem Dampferzeuger Frischdampf mit einer Temperatur und einem Druck erzeugt und dem Hochdruck- Expansionsabschnitt zugeführt wird. Sie betrifft weiter einen Hochdruck-Expansionsabschnitt einer Dampfturbine mit einer drehbar gelagerten Welle und einem die Welle umgebenden Ge- häuse, wobei der Hochdruck-Expansionsabschnitt mit einer Zu- führung zum Zuführen von Frischdampf mit einer Temperatur und einem Druck von einem Dampferzeuger versehen ist.

Als Hochdruck-Expansionsabschnitt wird jeder Abschnitt einer Dampfturbine verstanden, in dem Frischdampf expandiert. Unter einer HD-Teilturbine wird jegliche Teilturbine verstanden, die unmittelbar mit Frischdampf beaufschlagt wird. Die Be- zeichnung"HD-Teilturbine"erstreckt sich somit auch auf Dampfturbinen, in denen die Hochdruck-Expansion mit nachfol- genden Expansionsschritten in einem gemeinsamen Gehäuse er- folgt, insbesondere auf eine kombinierte Hochdruck- Mitteldruck-Teilturbine (HD/MD-Teilturbine).

Bei Dampfturbinen mit Reaktionsbeschaufelung führt die Expan- sion des zugeführten Frischdampfes zu Kräften, die in axialer Richtung auf Laufschaufeln an einer Welle der Dampfturbine führen. Um diese Kräfte auszugleichen ist bei bekannten Dampfturbinen ein Kolben zum Schubausgleich vorgesehen. Der Kolben ist gleichzeitig Teil der Wellendichtung. Ein derarti- ger Kolben ist beispielsweise in der DE 197 01 020 AI sowie in der DE 68 09 708 U1 beschrieben.

Zum Zwecke des Schubausgleichs wird eine Stirnfläche des Kol- bens mit Frischdampf beaufschlagt. Es ist eine relativ große

Beaufschlagungsfläche und damit ein vergleichsweise großer Durchmesser des Kolbens erforderlich. Auf Grund des hohen Durchmessers wirkt eine hohe Zentrifugalbeschleunigung.

Der Frischdampf wird über der auf der Mantelfläche des Kol- bens befindlichen Wellendichtung gedrosselt und benetzt eben- falls die rückwärtige Stirnwand. Der Kolben ist daher im Be- trieb hohen Temperaturen ausgesetzt. Die hohen Temperaturen führen zu einer verringerten Festigkeit des Kolbens. Es liegt daher eine hohe Belastung bei verringerter Festigkeit vor.

Der Kolben unterliegt somit wesentlichen Einschränkungen hin- sichtlich der Materialauswahl. Im Regelfall muß ein hochwer- tiges Material verwendet werden. Da der Kolben im allgemeinen einstückig mit der Welle gefertigt wird, entstehen wesentlich erhöhte Kosten.

Zur Verringerung der Belastung des Kolbens kann beispielswei- se die Frischdampftemperatur herabgesetzt werden. Hierdurch wird allerdings die Turbinenleistung entsprechend verringert.

Alternativ kann eine Gleichdruckstufe vorgeschaltet werden, die die'Eintrittstemperatur des Frischdampfes absenkt. Wenn diese Gleichdruckstufe nicht aus anderen Gründen erforderlich ist, stellt sie eine aufwendige und zugleich nur einge- schränkt Lösung dar. Eine andere Variante sieht vor, den Kolben als Stufenkolben auszubilden. Der erforderliche Schub- ausgleich in axialer Richtung erfolgt durch mehrere Kolben- stufen mit zunehmendem Durchmesser. Diese zunehmenden Kolben- durchmesser lassen sich realisieren, da die Temperatur des Frischdampfs während der Drosselung abnimmt. Allerdings führt diese Lösung zu einer weiträumigen Benetzung des Gehäuses mit Frischdampf, was dieses verteuert, oder erfordert Ausgleichs- leitungen mit großem Querschnitt zur Beschaufelung, um eine sichere Funktion zu gewährleisten.

Der in axialer Richtung wirkende Schub kann auch konstruktiv umgangen werden. Hierfür ist allerdings eine zweiflutige HD-

Turbine erforderlich, die zwei Abströmungen sowie jeweils zwei getrennte Beschaufelungen auf einer durchgehenden Welle aufweist. Der Einströmung ist hierbei etwa in der Mitte der Turbine angeordnet. Der im Betrieb entstehende axiale Schub der entlang der Turbinenachse betrachteten linken und rechten Turbinenhälfte gleicht sich gegenseitig aus. Es ist daher kein Kolben zum Schubausgleich erforderlich. Allerdings sind die Kosten für Beschaufelung und Gehäuse einer zweiflutigen Turbine relativ hoch.

Bei nachfolgenden Expansionsabschnitten, zum Beispiel in Mit- teldruck-Teilturbinen, kann eine Dampfkühlung des Kolbens vorgenommen werden. Eine derartige Lösung ist in der DE 198 23 251 Cl dargestellt. Als Kühlmedium wird Kondensat und/oder Dampf aus einem Kühlsystem der Dampfturbine über eine Dosier- einrichtung eingespritzt. Dieses Verfahren läßt sich aller- dings bei einer HD-Teilturbine auf Grund des hohen herrschen- den Drucks nicht anwenden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kühlung einer Welle einer HD-Teilturbine zu ermöglichen, insbesondere eine Kühlung eines Kolbens zum Schubausgleich.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß dem Dampferzeuger zur Kühlung Kühldampf entnommen wird, dessen Temperatur klei- ner und dessen Druck größer ist als die des Frischdampfs. Die erfindungsgemäße Vorrichtung sieht zur Lösung der Aufgabe vor, daß der Hochdruck-Expansionsabschnitt eine weitere Zu- führung zum Zuführen von Kühldampf aufweist, der dem Dampfer- zeuger entnommen ist und eine kleinere Temperatur und einen größeren Druck als der Frischdampf aufweist.

Durch das Entnehmen des Kühldampfs aus dem Dampferzeuger kann auf einen separaten, aufwendigen Kühlkreislauf verzichtet werden. Besondere Mittel zum Bereitstellen des für die HD- Teilturbine erforderlichen Druckes des Kühldampfes sind nicht

erforderlich. Die erfindungsgemäße Kühlung ist daher gut zu realisieren. Weiter ist nur ein geringer Querschnitt für die Zuführung des Kühldampfs erforderlich. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann daher mit geringem Aufwand in be- stehende Anlagen nachgerüstet werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin- dungen gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

Der Kühldampf kann zwischen einem Separator und einem Über- hitzer des Dampferzeugers entnommen werden. Alternativ ist auch eine Entnahme aus einem Überhitzer des Dampferzeugers zwischen einzelnen Überhitzerelementen möglich. Die Druckdif- ferenz zwischen dem Kühldampf und dem Frischdampf entspricht in etwa dem Druckverlust der umgangenen Überhitzerelemente.

Je nach Anwendungsfall liegt der Druck des Kühldampfes um et- wa 1 bis 10 bar, insbesondere etwa 2 bis 7 bar höher als der Druck des Frischdampfs. Die Temperatur des Kühldampfs liegt entsprechend der Zahl der umgangenen Überhitzerelemente nied- riger als die Temperatur des Frischdampfs. Bei beiden Ausges- taltungen wird zuverlässig ein Kühldampf mit geringerer Tem- peratur und größerem Druck als der Frischdampf bereitge- stellt. Die Temperatur des Kühldampfs kann beispielsweise zwischen etwa 350 °C bis 500 °C betragen.

Vorteilhaft wird der Kühldampf dem Hochdruck-Expansionsab- schnitt in der Nähe einer Zuführung für den Frischdampf zuge- führt. Die erforderliche Kühlung erfolgt damit in einem Be- reich, in dem die Temperatur des Frischdampfs noch relativ hoch ist. Hierdurch wird eine hohe Kühlwirkung erreicht.

In vorteilhafter Weiterbildung wird der Kühldampf vor der Entnahme aus dem Dampferzeuger überhitzt. Dies verhindert ein unzulässiges Auskondensieren von Wassertropfen aus dem Kühl- dampf. Das Ausmaß der Überhitzung hängt wiederum von den je- weiligen Randbedingungen ab.

Bei dem erfindungsgemäßen Hochdruck-Expansionsabschnitt mün- det die Zuführung für den Kühldampf vorteilhaft in eine Ringnut am Gehäuse, die um die Welle herumgeführt ist. Der Kühldampf wird somit gleichmäßig über den gesamten Umfang von Welle und Gehäuse verteilt.

In vorteilhafter Weiterbildung ist die Welle im Bereich der weiteren Zuführung als Kolben ausgebildet, der zum Ausgleich von Kräften dient, die in axialer Richtung auf Schaufeln an der Welle wirken. Bei dieser Ausgestaltung wird der für den Schubausgleich erforderliche Kolben direkt gekühlt. Es kann daher eine höhere Eintrittstemperatur für den Frischdampf o- der ein anderes Material für den Kolben und damit die Welle gewählt werden. Gleichzeitig wird die Leckage des Frischdamp- fes über die Wellendichtung gesperrt oder zumindest verrin- gert und hierdurch der Wirkungsgrad des Hochdruck- Expansionsabschnitts verbessert.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Zuführung für den Frischdampf und die weitere Zuführung für den Kühl- dampf eng nebeneinander angeordnet. Die Dichtungslängen ent- sprechen den vorliegenden Druckverhältnissen. Hierdurch er- gibt sich auch bei nur geringen Temperaturunterschieden zwi- schen Kühldampf und Frischdampf eine optimale Kühlwirkung bei minimalem Kühldampfstrom. Weiter erfolgt die Kühlung in dem thermisch am stärksten beanspruchten Bereich der HD-Welle.

In vorteilhafter Weiterbildung erfolgt eine Abschirmung des Frischdampfs von der Welle, beispielsweise durch eine Regel- stufe, eine Diagonalstufe oder eine anders gestaltete Abde- ckung. Die Zumischung des Kühldampfes erfolgt vorteilhaft erst unmittelbar vor beziehungsweise innerhalb der HD-Be- schaufelung. Auf diese Weise lassen sich weitere, thermisch hochbeanspruchte Bereiche der HD-Welle und der HD-Beschaufe- lung kühlen.

Vorteilhaft weist das Gehäuse ein Außenteil und ein Innenteil auf, und die Zuführung verläuft zumindest teilweise zwischen dem Außenteil und dem Innenteil. Hierdurch werden die Kon- struktion des Gehäuses vereinfacht und das Zuführen des Kühl- dampfs mit geringem Aufwand ermöglicht. Zusätzlich wird ein Kühleffekt zwischen den Gehäuseteilen, das heißt zwischen dem Innenteil und dem Außenteil bewirkt.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbei- spielen-näher erläutert, die in schematischer Weise in der Zeichnung dargestellt sind. Für gleiche und funktionsidenti- sche Bauteile werden durchgehend dieselben Bezugszeichen ver- wendet. Dabei zeigt : Figur 1 eine schematische Darstellung einer Dampfturbinen- anlage ; Figur 2 einen Längsschnitt durch eine HD-Teilturbine ; Figur 3 eine Ansicht ähnlich Figur 2 in weiterer Ausgestal- tung ; Figur 4 eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit X aus Figur 2 oder Figur 3 ; Figur 5 eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit Y aus Figur 4 ; Figur 6 eine schematische Darstellung eines Dampferzeugers mit der erfindungsgemäß vorgesehenen Entnahme des Kühldampfs.

In Figur 1 ist schematisch eine Dampfturbinenanlage mit einer Dampfturbine 10 dargestellt. Die Dampfturbine 10 weist eine HD-Teilturbine 11 und eine MD/ND-Teilturbine 12 mit einer ge- meinsamen Welle 13 auf. Im Betrieb dreht sich die Welle 13 wie schematisch angedeutet und treibt einen Generator 14. Die

Welle 13 und der Generator 14 sind über eine nicht näher dar- gestellte Verbindung miteinander gekoppelt.

Der zum Betrieb der HD-Teilturbine 11 und der MD/ND-Teil- turbine 12 erforderliche Dampf wird in einem Dampferzeuger 15 mit zugehörigem Überhitzer erzeugt. Der Dampf durchströmt die HD-Teilturbine 11, gegebenenfalls eine Zwischenüberhitzung 21 und anschließend die MD/ND-Teilturbine 12. Der aus der MD/ND- Teilturbine 12 austretende Dampf wird in einem Kondensator 16 kondensiert und über Pumpen 17 durch MD/ND-Vorwärmer 18 und HD-Vorwärmer 19,20 zurück zum Dampferzeuger 15 geleitet. Zur Verbesserung des Wirkungsgrads der Dampfturbine 10 ist eine Speisewasservorwärmung A, B, C, D, E, n vorgesehen. Zur Be- aufschlagung der HD-Teilturbine 11 und der MD/ND-Teilturbine 12 dienen schematisch dargestellte Ventile. Es sollen an die- ser Stelle lediglich die Ventile 43 und 44 näher beschrieben werden.

Dem Dampferzeuger 15 wird ein Massenstrom m zugeführt. Aus dem Dampferzeuger 15 tritt der Hauptteil dieses Massenstroms m als Frischdampf m aus. Die Beaufschlagung der HD-Teil- turbine 11 kann über das Ventil 43 eingestellt werden. Weiter wird dem Dampferzeuger 15 Kühldampf M 2 zur Kühlung der HD- Teilturbine 11 entnommen. Die Menge des Kühldampfs m 2 wird über das Ventil 44 eingestellt. Auf diese Weise kann die Be- aufschlagung der HD-Teilturbine 11 mit Frischdampf m1 und Kühldampf m an die jeweils vorliegenden Randbedingungen op- timal angepaßt werden.

Figur 2 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch die HD- Teilturbine 11 und Figur 3 einen Längsschnitt durch eine kom- binierte HD/MD-Teilturbine 25 mit einer HD-Teilturbine 11 und einer MD-Teilturbine 12. Die Welle 13 ist in einem Gehäuse 22 mit einem Außenteil 23, einem Innenteil 24 und einer Abde- ckung 26 aufgenommen (sogenannte Trommelbauweise der HD- Teilturbine). Es sind eine Einströmung 27 für den Frischdampf

mu und eine Abströmung 28 vorgesehen. In Figur 3 sind ent- sprechend Einströmung 27 und Abströmung 28 für die HD-Teil- turbine 11 und die MD-Teilturbine 12 vorgesehen. Die Zuord- nung erfolgt durch die Angabe HD beziehungsweise MD hinter dem jeweiligen Bezugszeichen. Die Abdichtung gegenüber der Umgebung erfolgt mittels schematisch dargestellter Dichtungen 29. Der Frischdampf m1 durchströmt die Beschaufelung der HD- Teilturbine 11 oder der HD/MD-Teilturbine 25 in Pfeilrichtung 32. Hierdurch wird eine Kraft erzeugt, die in Pfeilrichtung 32 in axialer Richtung auf die Welle 13 wirkt. Zum Ausgleich des erzeugten Schubes aus der HD-Beschaufelung ist ein Kolben 31 vorgesehen.

Der Kolben 31 weist einen vergleichsweise großen Durchmesser auf und wird mit dem zugeführten Frischdampf m1 beauf- schlagt. Gemäß der Erfindung ist daher eine Kühlung des Kol- bens 31 vorgesehen. Der Kühldampf m2 wird hierbei gemäß Pfeil 30 durch das Außenteil 23 geführt. Er strömt anschlie- ßend zwischen dem Außenteil 23 und dem Innenteil 24 und wird dann radial einwärts zum Kolben 31 geführt und der Kolben 31 wird mit dem Kühldampf m2 beaufschlagt. Hierdurch wird eine effektive Kühlung des Kolbens 31 erreicht. Gleichzeitig wird Leckage des Frischdampfes ml über den Kolben 31 gesperrt o- der zumindest verringert und somit der Wirkungsgrad der HD- Teilturbine 11 verbessert.

Figur 4 zeigt eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit X aus Figur 3 beziehungsweise Figur 4 und Figur 5 eine vergrö- ßerte Darstellung der Einzelheit Y aus Figur 4 mit zusätzli- cher Abschirmung des Frischdampfs ml. In Figur 4 ist weiter schematisch die Zuführung des Frischdampfs m1 und des Kühl- dampfs m2 dargestellt. Die Temperatur T, des Frischdampfs mi ist hierbei größer als die Temperatur T2 des Kühldampfs m2.

Allerdings ist der Druck p2 des Kühldampfs m größer als der

Druck pl des Frischdampfs ml. Der Frischdampf mi und der Kühldampf M2 ergeben zusammen den dem Dampferzeuger 15 zuge- führten Massenstrom m.

Der Frischdampfstrom m1 wird wie dargestellt über das Ventil 43 und eine Einströmung 27 zugeführt. Im Bereich der Einströ- mung 27 weist die Welle 13 eine Umfangsnut 33 neben dem Kol- ben 31 auf. Die Einströmung 27 wird von dem Innenteil 24 und einer Abschirmung 46 begrenzt. Zwischen dem Innenteil 24 und der Abschirmung 46 ist sind Leitschaufeln 45 der HD- Teilturbine 11 angeordnet.

Der Kühldampf m 2 strömt gemäß Pfeil 30 zwischen der Abschir- mung 46 und der Welle 13 zu den Laufschaufeln 34 und verhin- dert Leckagen des Frischdampfs ml. Ein Teil des Kühldampfs m2 tritt unmittelbar vor oder im Bereich der Leitschaufeln 45 aus. Die Abschirmung 46 verhindert eine direkte Benetzung der HD-Welle 13 im Bereich der Umfangsnut 33.

Im Betrieb strömt der Frischdampf m1 durch die Beschaufelung und bewirkt hierdurch eine Kraft in Pfeilrichtung 32. Er drückt gleichzeitig auf eine Stirnfläche 36 der Nut 33 und erzeugt hierdurch eine Gegenkraft. Die Stirnfläche 36 wird hierbei so gewählt, daß sich die Kraft auf die Laufschaufeln 34 und die Kraft auf die Stirnfläche 36 näherungsweise oder vollständig ausgleichen.

Der Kolben 31 muß daher Kräfte in Pfeilrichtung 32 aufnehmen und wird gleichzeitig mit Frischdampf Mi mit hoher Tempera- tur T1 beaufschlagt. Gemäß der Erfindung ist daher eine Küh- lung mittels Kühldampf m2 vorgesehen, wobei der Kühldampf m 2 dem Dampferzeuger 15 entnommen wird. Die Menge des Kühldampfs m 2 wird über das Ventil 44 eingestellt. Der Kühldampf zu strömt dann in einen Ringspalt 37 zwischen dem Kolben, 31 und dem Innenteil 24 des Gehäuses 22. Es sind eine oder mehrere

Zuführungen 42 für den Kühldampf zu vorgesehen, die in eine Ringnut 38 des Innenteils 24 mündet. Der Kühldampf m2 wird somit gleichmäßig über den gesamten Umfang des Kolbens 31 verteilt.

Die genaue Lage und die Abmessungen der Ringnut 38 hängen vom Einzelfall ab. Vorteilhaft wird die Lage der Ringnut 38 so gewählt, daß der einströmende Kühldampf m schubneutral ist.

Diese Variante ist insbesondere bei der Nachrüstung in be- reits bestehenden Dampfturbinen 10 von Vorteil. Der Dampfmas- senstrom an Kühldampf m2 wird aus Gründen des Wirkungsgrads möglichst klein gehalten. Vorteilhaft wird er so gewählt, daß gerade ein sicheres Sperren des Frischdampfs Mi erreicht wird. Beispielsweise wird das Verhältnis von Kühldampfmassen- strom zu Frischdampfmassenstrom hierbei zwischen etwa 0,1 % bis 1,5 %, insbesondere zwischen etwa 0,5 % bis 0,8 % einge- stellt abhängig von der Leistungsklasse der Dampfturbinen- anlage.

Die Einströmung 27 für den Frischdampf m1 und die Zuführung 42 für den Kühldampf m2 sind eng nebeneinander angeordnet.

Der Kühldampf mu bewirkt somit eine effiziente Kühlung des thermisch stark beanspruchten Kolbens 31. Weiter werden Leck- ströme von Frischdampf m1 durch den Spalt 37 zwischen dem Kolben 31 und dem Innenteil 24 des Gehäuses 22 sicher verhin- dert, indem die Sperrwirkung des Kühldampfs m ausgenutzt wird. Daher erhöht sich der Wirkungsgrad der HD-Teilturbine 11.

Die Zuführung 42 für den Kühldampf m2 durch das Gehäuse 22 ist wärmebeweglich ausgeführt. Hierdurch werden thermische Verformungen von Außenteil 23 und Innenteil 24 ausgeglichen, insbesondere auch mögliche thermisch induzierte Spannungen (Wärmespannungen) zwischen Gehäuse 22 und Zuführung 42 be- grenzt. Derartige Zuführungen sind dem Fachmann in einer Rei-

he von Ausgestaltungen bekannt und werden daher nicht näher erläutert.

Figur 6 zeigt schematisch einen Dampferzeuger 15 mit einem Verdampfer 39, einem Separator 40 und einem Überhitzer 41. Im Verdampfer 39 wird der zugeführte Massenstrom m in die Dampfphase überführt. Eventuell enthaltene Wassertropfen wer- den im Separator 40 abgetrennt. Anschließend wird der Dampf dem Überhitzer 41 mit Überhitzerelementen 41a, 41b zugeführt.

Im Überhitzer 41 wird die Temperatur des Dampfes erhöht.

Gleichzeitig verringert sich der Druck auf Grund des Strö- mungswiderstandes der Überhitzerelemente 41a, 41b.

Gemäß dem Konzept der Erfindung kann der Kühldampf beispiels- weise zwischen den Überhitzerelementen 41a, 41b aus dem Dampferzeuger 15 entnommen werden. In diesem Fall ist der Kühldampf m 2a überhitzt und weist eine Temperatur Tza und ei- nen Druck pza auf. Durch das Überhitzen des Kühldampfs m2a vor der Entnahme aus dem Dampferzeuger 15 wird ein unzulässi- ges Auskondensieren von Wassertropfen aus dem Kühldampf m2a verhindert. Das Ausmaß der jeweils erforderlichen Uberhitzung hängt von den Randbedingungen ab. Der Unterschied zwischen den Temperaturen T1, T2a und den Drücken Pi und P2a des Frisch- dampEs m1 sowie des Kühldampfs m 2a hängt von der Anzahl der umgangenen (nicht durchströmten) Überhitzerelemente 41b ab.

Alternativ kann der Kühldampf m 2b zwischen dem Separator 40 und dem Überhitzer 42 aus dem Dampferzeuger 15 entnommen wer- den. Die Unterschiede in Temperatur T1, T2b und Druck pi und P2b ergeben sich wiederum aus der Anzahl der umgangenen (nicht durchströmten) Überhitzerelemente 41a, 41b.

In beiden dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Tempe- ratur T2a, T2b des Kühldampfs m2", mob kleiner als die Tempe-

ratur T1 des Frischdampfs ml. Dafür weist der Kühldampf m 2at m 2b einen größeren Druck pza, p2b als der Frischdampf m1 auf.

Das mit dem Verfahren und der Vorrichtung der Erfindung wird erstmals eine Entnahme von Kühldampf m2 aus dem Dampf- erzeuger 15 vorgesehen. Die Temperatur T2 des Kühldampfs m2 ist hierbei kleiner und der Druck p2 größer als die des Frischdampfs ml. Es wird damit eine einfache Kühlung der HD- Welle 13 ermöglicht, insbesondere eine sehr effiziente Küh- lung des Kolbens 31 zum Schubausgleich bereitgestellt.