Turbinenwelle sowie Verfahren zur Kühlung einer Turbinenwelle

Die Erfindung betrifft eine Turbinenwelle, welche sich ent¬ lang einer Hauptachse erstreckt und eine Außenoberfläche auf¬ weist, sowie ein Verfahren zur Kühlung einer Turbinenwelle.

Zur Steigerung des Wirkungsgrades einer Dampfturbine trägt die Verwendung von Dampf mit höheren Drücken und Temperaturen bei, insbesondere sogenannte überkritische Dampfzustände, mit einer Temperatur von beispielsweise über 550 °C. Die Verwen¬ dung von Dampf mit einem solchen Dampfzustand stellt erhöhte Anforderungen an eine entsprechend beaufschlagte Turbinen- welle einer Dampfturbine.

In der DE 32 09 506 AI, hierzu korrespondiert die

EP 0 088 944 Bl, ist eine Wellenabschirmung mit Drallkühlung für einen Bereich einer Turbinenwelle beschrieben, der der Frischdampf unmittelbar nach Einströmen in die Turbine ausge¬ setzt ist. Bei der Drallkühlung strömt Dampf durch vier tan- gentiale Bohrungen der Wellenabschirmung in Drehrichtung der Turbinenwelle in den Bereich zwischen der Wellenabschirmung und der Turbinenwelle ein. Dabei expandiert der Dampf, die Temperatur sinkt, wodurch die Turbinenwelle gekühlt wird. Die Wellenabschirmung ist dampfdicht mit einer Leitschaufelreihe verbunden. Durch die Drallkühlung läßt sich eine Temperatur- absenkung der Turbinenwelle in der Umgebung der Läuferab¬ schirmung von etwa 15 K erreichen. In der Wellenabschirmung sind für die Drallkühlung Düsen eingebracht, welche in Dreh¬ richtung der Turbinenwelle gesehen tangential in den zwischen der Turbinenwelle und der Wellenabschirmung gebildeten Ring¬ kanal einmünden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Turbinenwelle anzugeben, welche in einem thermisch hoch belastbaren Bereich kühlbar ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Ver-

fahren zur Kühlung einer in einer Turbine angeordneten Turbi¬ nenwelle anzugeben.

Die auf eine Turbinenwelle, welche sich entlang einer Hauptachse erstreckt und eine Außenoberfläche aufweist, ge¬ richtete Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Turbinenwelle eine Mehrzahl entlang der Hauptachse axial hintereinander an¬ geordneter zylindrischer Wellensegmente aufweist, die entlang einer gemeinsamen Verbindungsachse jeweils eine Verbindungs- Öffnung aufweisen, durch welche ein Verspannungselement ge¬ führt ist. Zwischen dem Verspannungselement und zumindest ei¬ nem Wellensegment ist ein axialer Spalt gebildet, der mit zwei axial voneinander beabstandeten radialen Kanälen, insbe¬ sondere Spalten, strömungstechnisch verbunden ist, die je- weils an der Außenoberfläche münden.

Bei einer solchen Turbinenwelle ist mithin eine strömungs- technische Verbindung zwischen der Außenoberfläche der Turbi¬ nenwelle und einem in ihrem Inneren liegenden axialen Spalt gebildet. Dadurch kann Kühlfluid in das Innere der Turbinen¬ welle eingeführt und durch den axialen Spalt in axialer Rich¬ tung durch die Turbinenwelle hindurchgeführt werden, so daß eine Kühlung der Turbinenwelle im Bereich des axialen Spaltes gewährleistet ist. Bei einer Dampfturbine ist hierbei das Kühlfluid vorzugsweise ein Aktionsfluid (Prozeßdampf) , wel¬ ches durch eine Anströmung von mit der Turbinenwelle verbun¬ denen Laufschaufeln die Turbinenwelle in eine Rotation ver¬ setzt. Die radialen Kanäle münden vorzugsweise an unter¬ schiedlichen Druckniveaus an der Außenoberfläche der Turbi- nenwelle, so daß sich bereits durch das Druckgefälle automa¬ tisch eine Strömung durch die Turbinenwelle hindurch ausbil¬ det. Durch die geometrische Anordnung der Mündung der radia¬ len Kanäle an die Außenoberfläche kann der Volumenstrom des Kühlfluides, welches aus dem Aktionsfluid abgezweigt wird, an die geforderte Kühlleistung angepaßt werden. Das zur Kühlung entzogene Aktionsfluid (Prozeßdampf) verrichtet hierbei le¬ diglich über das zwischen den radialen Kanälen vorhandene

Differenzdruckniveau keine mechanische Arbeit zum Antrieb der Turbinenwelle. Nach Ausströmen durch den radialen Kanal mit niedrigerem Druckniveau zurück in den Strom des Aktionsflui- des verrichtet auch das als Kühlfluid verwendete Aktionsfluid erneut mechanische Arbeit und trägt somit zu dem Wirkungsgrad der Dampfturbine bei.

Die zylindrischen Wellensegmente, im folgenden auch als Läu¬ ferscheiben bezeichnet, weisen vorzugsweise jeweils eine zen- trale Verbindungsöffnung auf, durch die ein einziges Verbin¬ dungselement, ein Zuganker, geführt ist. Die Verbindungsöff¬ nung hat hierbei einen größeren Querschnitt als der Zuganker, so daß vorzugsweise ein ringförmiger axialer Spalt zwischen Wellensegment und Zuganker zur Durchströmung mit Kühlfluid gebildet ist.

Es ist ebenfalls prinzipiell möglich, mehrere, insbesondere drei oder mehr Verbindungselemente (Zuganker) vorzusehen. Die jeweilige Verbindungsach.se der Verbindungselemente liegt par- allel zur Hauptachse der Turbinenwelle. Vorzugsweise sind die jeweiligen Verbindungsachsen auf einem Kreis angeordnet, des¬ sen Mittelpunkt mit der Hauptachse zusammenfällt.

Vorzugsweise wird zumindest ein radialer Kanal, insbesondere werden beide radiale Kanäle, zwischen zwei unmittelbar anein¬ ander grenzenden Wellensegmenten gebildet. Dies ist bei¬ spielsweise dadurch realisiert, daß in den aneinander angren¬ zenden Wellensegmenten entsprechende Vertiefungen oder Aus¬ nehmungen, Nuten, vorgesehen sind. Ein radialer Kanal kann allerdings auch durch eine im wesentlichen radiale Bohrung durch das Wellensegment von der Außenoberfläche zur Verbin- dunngsöffnung hindurch realisiert sein. Radial bedeutet hierin vorzugsweise senkrecht zur Hauptachse, schließt aller¬ dings auch jedwede Verbindung zwischen der Außenoberfläche und der Verbindungsöffnung ein, die zumindest teilweise in Richtung der Hauptachse gerichtet ist.

Die Turbinenwelle ist vorzugsweise für eine zweiflutige Tur¬ bine vorgesehen und weist dementsprechend einen axialen Mit¬ telbereich auf, an den das Aktionsfluid unmittelbar nach Ein¬ strömung in die Turbine gelangt und dort in zwei im wesentli- chen gleiche Teilströme aufgeteilt wird. Der axiale Mittelbe¬ reich ist vorzugsweise axial zwischen den radialen Kanälen angeordnet. Der Mittelbereich, welcher dem Aktionsfluid bei einer höchsten Temperatur ausgesetzt ist, weist vorzugsweise einen Hohlraum auf, welcher von Kühlfluid durchströmbar ist. Der Hohlraum ist vorzugsweise rotationssymmetrisch zur

Hauptachse ausgebildet. Er ist durch ein Abschirmelement ab¬ geschlossen, welches zur Stromteilung eine rotationssymmetri¬ sche Erhebung aufweist. Der Hohlraum kann strömungstechnisch mit dem axialen Spalt verbunden sein. Es ist ebenfalls mög- lieh, Kühlfluid über das Gehäuse einer Turbine und einer das Abschirmelement an das Gehäuse befestigende Halterung zuzu¬ führen.

Die Turbinenwelle ist vorzugsweise in einer Dampfturbine, insbesondere einer zweiflutigen Mitteldruck-Teilturbine, an¬ geordnet. Durch den über den Mittelbereich hinweg gebildeten Strömungsweg umfassend die beiden axial voneinander beabstan- deten radialen Kanäle und den damit strömungstechnisch ver¬ bundenen axialen Kanal ist eine Kühlung des Mittelbereichs der Turbinenwelle gewährleistet. Insbesondere gelangt als

Kühlfluid fungierendes Aktionsfluid aus dem Teilstrom der ei¬ nen Flut bei einem niedrigeren Druckniveau in den Teilstrom der zweiten Flut hinein. Hierdurch wird das als Kühlfluid verwendete Aktionsfluid wieder dem gesamten Dampfprozeß zuge- führt und trägt mithin zum Wirkungsgrad des Gesamtprozesses bei.

Die auf ein Verfahren zur Kühlung einer Turbinenwelle gerich¬ tete Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einer Turbinenwelle mit einer Mehrzahl entlang einer Hauptachse axial hinterein¬ ander angeordneter zylindrischer Wellensegmente, die mit ei¬ nem Verspannungselement miteinander verspannt sind, Kühlfluid

durch einen ersten radialen Kanal in einen axialen Spalt zwi¬ schen dem Verspannungselement und dem Wellensegment einge¬ führt und durch einen zweiten radialen Kanal aus der Turbi¬ nenwelle herausgeführt wird. Hierdurch ist, wie bereits oben ausgeführt, eine Turbinenwelle in einem thermisch während des Betriebs der Turbinenwelle hoch belasteten Bereich von innen her kühlbar. Eine solche Turbinenwelle ist somit auch in ei¬ ner Dampfturbinenanlage mit Dampfeintrittstemperaturen ober¬ halb 600 °C geeignet. Zur Durchführung einer entsprechenden Kühlleistung wird dem axialen Spalt ein Volumenstrom an Kühl¬ fluid zugeführt, der zwischen 1% bis 4%, insbesondere zwi¬ schen 1,5% und 3%, des gesamten Frischdampfvolumenstroms liegt.

Die Turbinenwelle sowie das Verfahren werden beispielhaft an¬ hand der in der Zeichnung dargestellten Figur erläutert.

Die einzige Figur zeigt in einem Längsschnitt einen Aus¬ schnitt einer Turbine mit einer Turbinenwelle.

In der einzigen Figur ist ein Ausschnitt eines Längsschnittes durch eine zweiflutige Mitteldruck-Teilturbine 10 einer Dampfturbinenanlage dargestellt. In einem Gehäuse 18 ist eine Turbinenwelle 1 angeordnet. Die Turbinenwelle 1 erstreckt sich entlang einer Hauptachse 2 und weist eine Mehrzahl axial hintereinander angeordneter Wellensegmente 4a, 4b, 4c, 4d, 4e auf. Jedes Wellensegment 4a, 4b weist um die Hauptachse 2 herum eine jeweilige Verbindungsöffnung 6 auf. Die Verbin¬ dungsöffnungen 6 haben jeweils denselben Querschnitt und sind zentrisch zueinander und zur Hauptachse 2 angeordnet. Durch die Verbindungsöffnungen 6 ist entlang einer Verbindungsachse 5 ein Verspannungselement 7, ein Zuganker, geführt. Die Ver¬ bindungsachse 5 fällt in dem dargestellten Ausführungsbei- spiel mit der Hauptachse 2 zusammen. Es ist prinzipiell mög- lieh, auch mehrere, insbesondere mehr als drei, Verspannungs- elemente 7 vorzusehen, die durch jeweils entsprechende Ver¬ bindungsöffnungen 6 geführt sind. Der Zuganker 7 greift an

den äußersten, nicht dargestellten, Wellensegmenten so an, daß eine axiale Verspannung der Wellenelemente 4a, 4b, 4c, 4d aneinander erfolgt. Vorzugsweise weist der Zuganker 7 hierzu ein nicht dargestelltes Gewinde auf, in dem eine ebenfalls nicht dargestellte Spannmutter eingreift. Zur Vermeidung ei¬ ner Bewegung benachbarter Wellensegmente 4a, 4b in Umfangs- richtung gegeneinander können diese verdrehsicher über eine Stirnzahnkupplung, insbesondere eine Plankerbverzahnung (Hirthverzahnung) miteinander verbunden sein. Die Verbin- dungsöffnungen 6 haben jeweils einen Querschnitt, der größer als der Querschnitt des Zugankers 7 ist, so daß zwischen ei¬ nem jeweiligen Wellensegment 4a und dem Zuganker 7 ein axia¬ ler Spalt 8, insbesondere ein Ringspalt, verbleibt. Durch die Wellensegmente 4a, 4b, etc. ist eine Außenoberfläche 3 der Turbinenwelle 1 gebildet. In der Umgebung der Außenoberfläche 3 sind aneinandergrenzende Wellensegmente 4a, 4d; 4a, 4b durch eine jeweilige Dichtschweißung 16 für ein Fluid un¬ durchlässig miteinander verbunden. Vorzugsweise zwei Paare von aneinandergrenzenden Wellensegmenten 4d, 4e; 4b, 4c sind so aneinander angeordnet, daß zwischen ihnen ein jeweiliger radialer Kanal 9a, 9b verbleibt.

Das die Turbinenwelle 1 umgebende Gehäuse 18 weist einen Ein¬ strömbereich 19 für Frischdampf 12 auf. Dem Einströmbereich 19 zugeordnet weist die Turbinenwelle 1 einen Mittelbereich 11 auf, in dem ein Hohlraum 13 ausgebildet ist. Dieser Hohl¬ raum 13 sowie der Mittelbereich 11 der Turbinenwelle 1 sind gegenüber einem heißen, durch den Einströmbereich 19 durch¬ strömenden Aktionsfluid 12 (Frischdampf) durch ein Abschir- melement 17 vor einem unmittelbaren Kontakt mit dem Aktions¬ fluid 12 abgeschirmt. Das Abschirmelement 17 ist rotations- symmetrisch zur Hauptachse 2 ausgebildet und weist eine von der Hauptachse 2 weg gerichtete Erhebung auf. Das Abschirm¬ element 17 dient einer Aufteilung des Aktionsfluides 12, des Frischdampfes, in zwei annähernd gleiche Teilströme. Das Ab¬ schirmelement 17 ist über die erste Leitschaufelreihe 14 je¬ des Teilstroms mit dem Gehäuse 18 verbunden. Durch nicht dar-

gestellte Kühlfluidzuführungen gelangt Kühlfluid durch das Gehäuse 18, die erste Leitschaufelreihe 14 und das Abschirm¬ element 17 hindurch in den Hohlraum 13 hinein und bewirkt dort eine Kühlung der Turbinenwelle 1 in dem Mittelbereich 11. Das Kühlfluid kann in dem Hohlraum 13 aufgrund des Wärme- austauschs mit dem Aktionsfluid 12 erhitzt werden und über nicht dargestellte Fluidableitungen dem Dampfprozeß wieder zugeführt werden.

In Strömungsrichtung des Aktionsfluides 12 sind, wie bei ei¬ ner Dampfturbine üblich, abwechselnd axial hintereinander mit der Turbinenwelle 1 verbundene Laufschaufelreihen 15 und mit dem Gehäuse 18 verbundene Leitschaufelreihen 14 angeordnet. Eine Kühlung der Turbinenwelle 1 auch von innen heraus, ins- besondere in dem Mittelbereich 11, wird erzielt, indem durch den ersten radialen Kanal 9a bereits etwas entspanntes Akti¬ onsfluid 12 in den axialen Spalt 8 zwischen Zuganker 7 und Wellensegmenten 4d, 4a, 4b einströmt. Dieser Teilstrom des Aktionsfluides 12 wirkt als Kühlfluid 12b, welches zuerst entgegen der Stömungsrichtung des in der Darstellung links strömenden Teilstroms geführt wird. Durch den zweiten radia¬ len Spalt 9b gelangt das Kühlfluid 12b an einer Stelle nied¬ rigeren Drucks in den nach rechts gerichteten Teilstrom hin¬ ein und leistet somit wieder Arbeit an den noch zu durchströ- menden Laufschaufein 15. Bei der dargestellten Turbine 10 kann das Kühlfluid 12b durch den ersten radialen Kanal 9a bei einem Druck von etwa 11 bar und einer Temperatur von etwa 400 °C aus dem nach links gerichteten Teilstrom abgeführt und bei einem Druckniveau kleiner 11 bar dem nach rechts gerich- teten Teilstrom wieder zugeführt werden. Es ist ebenfalls möglich, zum Zwecke der Kühlung den axialen Spalt 8 strö¬ mungstechnisch mit dem Hohlraum 13 zu verbinden. Dem axialen Spalt 8 wird vorzugsweise ein Volumenεtromanteil von 1% bis 4%, insbesondere 1,5% bis 3%, des gesamten Frischdampfvolu- menstromε, welcher die Turbinenwelle antreibt, zugeführt.

Die Erfindung zeichnet sich durch eine Turbinenwelle aus, welche eine Mehrzahl axial hintereinander angeordneter und miteinander verspannter Wellensegmente aufweist, in deren In¬ nerem ein axial gerichteter Spalt vorgesehen ist. Dieser Spalt ist über zwei radiale Kanäle an zwei unterschiedlichen Druckniveaus mit dem Strom des die Turbinenwelle antreibenden Aktionsfluides strömungstechnisch verbunden. Die radialen Ka¬ näle liegen vorzugsweise dort, wo jeweils zwei Wellensegmente aneinandergrenzen. Bereits aufgrund der unterschiedlichen Druckniveaus, an denen die jeweiligen radialen Spalte an der Außenoberfläche der Turbinenwelle münden, wird eine druckdif- ferenz-betriebene Kühlfluidströmung von dem Aktionsfluid (Frischdampf) abgezweigt. Ein aus dem Frischdampfström abge¬ zweigter Kühldampfström gelangt über den ersten radialen Ka- nal in den axial gerichteten Spalt und von dort über den zweiten radialen Kanal wieder in den Frischdampfström zurück. Hierdurch wird der dem axialen Spalt benachbarte Bereich der Turbinenwelle von innen heraus gekühlt und das für die Küh¬ lung verwendete Kühlfluid wieder dem gesamten Dampfprozeß zu- geführt.