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EP2840229A1 - Strömungsführung innerhalb einer Dampfturbinendichtung - Google Patents

Strömungsführung innerhalb einer Dampfturbinendichtung Download PDF

Info

Publication number
EP2840229A1
EP2840229A1 EP13181439.4A EP13181439A EP2840229A1 EP 2840229 A1 EP2840229 A1 EP 2840229A1 EP 13181439 A EP13181439 A EP 13181439A EP 2840229 A1 EP2840229 A1 EP 2840229A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
inner housing
steam
rotor
turbomachine
balance piston
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13181439.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Simon Hecker
Christian Musch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP13181439.4A priority Critical patent/EP2840229A1/de
Publication of EP2840229A1 publication Critical patent/EP2840229A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/02—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages by non-contact sealings, e.g. of labyrinth type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D3/00—Machines or engines with axial-thrust balancing effected by working-fluid
    • F01D3/04—Machines or engines with axial-thrust balancing effected by working-fluid axial thrust being compensated by thrust-balancing dummy piston or the like
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/30—Application in turbines
    • F05D2220/31—Application in turbines in steam turbines

Definitions

  • the invention relates to a turbomachine, in particular a steam turbine comprising an outer housing, an inner housing which is arranged within the outer housing, a rotor which is rotatably mounted within the inner housing, a thrust balance piston, which is formed integrally with the rotor, a labyrinth seal between the Thrust balance piston and the inner housing.
  • Modern steam turbines are usually multi-shelled and divided into high-pressure, medium-pressure and low-pressure turbine parts.
  • the respective sub-turbines are arranged in separate mutually formed housings.
  • the high-pressure and medium-pressure turbine parts are arranged in a housing.
  • the middle and the low-pressure turbine part are arranged in a separate individual housing.
  • Combined high and medium pressure turbine parts can be multi-shelled.
  • Essential components here are the rotor, the inner housing arranged around the rotor and the outer housing arranged around the inner housing.
  • steam is located in the vapor space between the inner and outer casings.
  • the expanded steam from the medium-pressure part of the turbine part flows around the inner casing.
  • the hot steam should be distributed as uniformly as possible around the inner housing, thereby avoiding a curvature due to different thermal stresses.
  • a compensating piston must be used to compensate for this axial thrust be used.
  • This balance piston is flowed with hot high-pressure exhaust steam mixed with medium-pressure inflow steam.
  • the compensation piston has the smallest possible distance to the inner housing.
  • seals between the balance piston and the inner housing There are provided seals between the balance piston and the inner housing.
  • the hot high-pressure exhaust steam flowing on the balance piston flows between the balance piston and the inner housing into the vapor space between the inner housing and the outer housing and is mixed with the medium-pressure steam. This means that a hot leakage steam escapes from the labyrinth seal of the balance piston and is supplied with the cooling medium pressure vapor flowing around the inner housing.
  • the invention begins. It is an object of the invention to achieve a more homogeneous temperature distribution within the steam turbine.
  • a turbomachine in particular a steam turbine, comprising an outer housing, an inner housing, which is arranged within the outer housing, a rotor rotatably supported within the inner housing, a thrust balance piston integrally formed with the rotor, a labyrinth seal between the thrust balance piston and the inner housing, wherein means are disposed in the labyrinth seal adapted to deflect a vapor present in the labyrinth seal are.
  • the rotor is aligned along a rotation axis and the means are formed such that the deflection of the vapor takes place substantially in the direction of the axis of rotation.
  • the means may be formed as a guide apparatus, which lead a deflection of the leakage vapor between the balance piston and inner housing in the direction of the axis of rotation.
  • the means are poured in the inner housing.
  • the means can also be screwed to the inner housing.
  • the funds can be installed and removed faster.
  • the means could be arranged in a segment, wherein the segment is connected via spring elements to the inner housing. Due to the resilient arrangement of the segment, the gap between the center and the balance piston can be optimized.
  • FIGS. show schematically an embodiment of the invention.
  • the FIG. 1 shows a turbomachine 1 in a side view.
  • the turbomachine can in this case be a steam turbine.
  • the invention is applicable to high pressure, medium pressure and low pressure sub-turbines.
  • the turbomachine 1 comprises a rotatably mounted rotor 2, which can rotate about a rotation axis 3.
  • the rotor 2 includes vanes, not shown.
  • an inner housing 4 is arranged to the rotor 2.
  • the inner housing 4 includes vanes, not shown.
  • a flow channel 6 is formed, which leads to a conversion of the thermal energy of a steam into rotational energy of the rotor 2 by the profiled design of the guide and rotor blades.
  • an outer housing 5 is arranged to the inner housing 4.
  • the expanded steam then flows into a vapor space 7, which is arranged between the inner housing 4 and the outer housing 5.
  • the steam flows between a thrust balance piston 8 of the rotor 2 in the vapor space 7.
  • the steam forms so-called streaks 9, which show a more or less unbalanced flow course.
  • three strands 9 are shown.
  • the strands 9 in this case comprise a hot steam, which shows a different distribution, which can lead to a one-sided heating of the inner housing 4, which in the FIG.
  • the distance between the thrust balance piston 8 and the inner housing 4 to the left of the axis of rotation 3 is less than the distance between the thrust balance piston 8 and the inner housing 4 right of the axis of rotation.
  • FIG. 2 shows an inventive embodiment of the turbomachine.
  • An essential feature is that the labyrinth seal 12 between the thrust balance piston 8 and the inner housing 4 has means 10 which is designed to deflect a vapor located in the labyrinth seal 12.
  • the means 10 are in this case formed in the direction of the axis of rotation 3 and cause a twist is avoided.
  • the means 10 are in this case formed in the direction of the axis of rotation 3 and cause a twist is avoided.
  • FIG. 2 only two means 10 are provided with the reference numeral 10.
  • the means 10 act as so-called spin crushers, which lead to a homogenization of the recess of the strands 9.
  • spin crushers which lead to a homogenization of the recess of the strands 9.
  • FIG. 2 There are five strands 9 drawn, which flow almost symmetrically to the rotation axis 3 of the labyrinth seal 12 and heat the inner casing 4 evenly.
  • no one-sided heating of the inner housing 4 will lead to a curvature, so that the radial clearance are less than the embodiment according to FIG. 1 ,
  • FIG. 3 shows a detail of the labyrinth seal 12 with the means 10, which are designed as a swirl breaker.
  • the thrust balance piston 8 comprises on its thrust balance piston surface 11 a labyrinth seal 12, which is arranged by flow obstacles 13 both on the thrust balance piston 8 and on an inner housing surface 14.
  • the means 10 can be embodied as a sheet which is oriented essentially in the direction of the rotation axis.
  • the means 10 can in this case be arranged in the inner housing 4.
  • the means 10 may be arranged in a segment, not shown, wherein the segment is connected via spring elements, not shown, with the inner housing 4.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dampfturbine mit einem Schubausgleichskolben (8), wobei in der Labyrinthdichtung (12) zwischen dem Schubausgleichskolben (8) und dem Innengehäuse (4) ein Drallbrecher angeordnet ist, der zu einer Homogenisierung des Dampfes führt, der in den Dampfraum zwischen Innen- (4) und Außengehäuse (5) führt und somit ein Verkrümmen des Innengehäuses (4) vermeidet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Dampfturbine umfassend ein Außengehäuse, ein Innengehäuse, das innerhalb des Außengehäuses angeordnet ist, einen Rotor, der drehbar gelagert innerhalb des Innengehäuses angeordnet ist, einen Schubausgleichskolben, der integral mit dem Rotor ausgebildet ist, einer Labyrinthdichtung zwischen dem Schubausgleichskolben und dem Innengehäuse.
  • Moderne Dampfturbinen werden in der Regel mehrschalig ausgeführt und in Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdruckteilturbinen eingeteilt. Es gibt Ausführungsformen, in denen die jeweiligen Teilturbinen in separat zueinander ausgebildeten Gehäusen angeordnet sind. Es sind aber auch Ausführungsformen bekannt, bei denen die Hoch- und die Mitteldruckteilturbine in einem Gehäuse angeordnet sind. Es sind aber auch Ausführungsformen bekannt, in denen die Mittel- und die Niederdruckteilturbine in einem eigenen einzelnen Gehäuse angeordnet sind.
  • Kombinierte Hoch- und Mitteldruckteilturbine können mehrschalig ausgeführt werden. Wesentliche Bauteile sind hierbei der Rotor, das um den Rotor angeordnete Innengehäuse und das um das Innengehäuse angeordnete Außengehäuse. Im Betrieb befindet sich Dampf im Dampfraum zwischen Innen- und Außengehäuse. Der entspannte Dampf aus dem Mitteldruckteil der Teilturbine strömt um das Innengehäuse. Der heiße Dampf sollte hierbei möglichst gleichförmig um das Innengehäuse verteilt sein, um dadurch eine Verkrümmung in Folge unterschiedlicher thermischer Spannungen zu vermeiden.
  • Sofern die Laufbeschaufelung der Hoch- und Mitteldruckturbine einen signifikant hohen Axialschub auf den Rotor erzeugt, muss zum Ausgleich dieses Axialschubs ein Ausgleichskolben verwendet werden. Dieser Ausgleichskolben wird mit heißem Hochdruck-Abdampf, vermischt mit Mitteldruck-Einströmdampf, beströmt. In der Regel weist der Ausgleichskolben einen möglichst geringen Abstand zum Innengehäuse auf. Es sind Dichtungen zwischen dem Ausgleichskolben und dem Innengehäuse vorgesehen. Allerdings ist es nahezu unvermeidbar, dass der heiße Hochdruck-Abdampf, der am Ausgleichskolben strömt, zwischen dem Ausgleichskolben und dem Innengehäuse in den Dampfraum zwischen Innengehäuse und Außengehäuse strömt und mit dem Mitteldruckabdampf vermischt wird. Das bedeutet, dass ein heißer Leckagedampf aus der Labyrinthdichtung des Ausgleichskolbens austritt und mit dem kühlenden das Innengehäuse umströmenden Mitteldruckabdampf zugeführt wird.
  • Allerdings erfolgt diese Mischung nicht homogen, was dazu führt, dass unterschiedliche heiße Strähnen sich ausbilden, die das Innengehäuse einseitig aufheizen und verkrümmen können. Dadurch besteht die Gefahr, dass die Beschaufelung, die aus Laufschaufeln besteht, mit stationären Teilen wie z.B. dem Innengehäuse in Berührung kommen könnte. Es ist ebenso durchaus denkbar, dass Radialspiele erweitert werden. Allerdings wird der Wirkungsgrad der Dampfturbine dadurch herabgesetzt.
  • Um diesen Effekt zu berücksichtigen besteht eine Lösung darin, die Radialspiele zu vergrößern, um auf jeden Fall ein Anstreifen zu vermeiden.
  • Allerdings führt dies jedoch zu einer Verminderung des Wirkungsgrades.
  • An dieser Stelle setzt die Erfindung an. Es ist Aufgabe der Erfindung, eine homogenere Temperaturverteilung innerhalb der Dampfturbine zu erreichen.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Strömungsmaschine, insbesondere Dampfturbine, umfassend ein Außengehäuse, ein Innengehäuse, das innerhalb des Außengehäuses angeordnet ist, einem Rotor, der drehbar gelagert innerhalb des Innengehäuses angeordnet ist, einen Schubausgleichskolben, der integral mit dem Rotor ausgebildet ist, einer Labyrinthdichtung zwischen dem Schubausgleichskolben und dem Innengehäuse, wobei Mittel in der Labyrinthdichtung angeordnet sind, die zum Ablenken eines in der Labyrinthdichtung befindlichen Dampfes ausgebildet sind.
  • Es wurde erkannt, dass der aus der Labyrinthdichtung austretende Dampf einen Drall aufweist. Dieser Drall verhindert eine homogene Verteilung des Dampfes im Innengehäuse. Heiße Strähnen an einer Seite des Innengehäuses können akkumulieren. Dies führt zu einer Verkrümmung in Folge von unterschiedlicher Temperaturverteilung. Erfindungsgemäß werden nun Mittel in Form von Drallbrechern am Ende der Labyrinthdichtung angeordnet. Dadurch wird der Drall der Labyrinthströmung vermieden und eine symmetrische Umströmung des Innengehäuses mit Dampf erzielt.
  • Mit der erfindungsgemäßen Maßnahme ist es somit nicht erforderlich einen zusätzlichen Radialspiel-Sicherheitszuschlag zu berücksichtigen. Dadurch erhöht sich der Turbinenwirkungsgrad. Durch die homogene Temperaturverteilung kann der Verlauf der Strähnen durch den Dampfraum genauer gesteuert und damit die Betriebssicherheit der Anlage gesteigert werden.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung ist der Rotor entlang einer Rotationsachse ausgerichtet und die Mittel derart ausgebildet, dass die Ablenkung des Dampfes im Wesentlichen in Richtung der Rotationsachse erfolgt. Das bedeutet, dass die Mittel als Leitapparat ausgebildet sein können, die eine Ablenkung des Leckagedampfes zwischen Ausgleichskolben und Innengehäuse in die Richtung der Rotationsachse führen. Somit wird der Drall gänzlich vermieden, der zu störenden unterschiedlichen Strähnen und unterschiedlichen Temperaturverteilungen führt.
  • Vorteilhafterweise werden die Mittel im Innengehäuse eingegossen. Alternativ können die Mittel auch am Innengehäuse angeschraubt werden. Somit lassen sich die Mittel schneller ein- und ausbauen.
  • Vorteilhafterweise könnten in einer alternativen Ausführungsform die Mittel in einem Segment angeordnet werden, wobei das Segment über Federelemente mit dem Innengehäuse verbunden ist. Durch die federnde Anordnung des Segmentes, lässt sich der Spalt zwischen dem Mittel- und dem Ausgleichskolben optimieren.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen in schematischer Weise ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Es zeigen:
    • Figur 1
    eine Seitenansicht einer Strömungsmaschine gemäß dem Stand der Technik,
    Figur 2
    eine Seitenansicht einer Strömungsmaschine gemäß der Erfindung,
    Figur 3
    ein Detail der erfindungsgemäßen Anordnung.
  • Die Figur 1 zeigt eine Strömungsmaschine 1 in einer Seitenansicht. Die Strömungsmaschine kann hierbei eine Dampfturbine sein. Die Erfindung ist anwendbar für Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdruck-Teilturbinen.
  • Im Wesentlichen umfasst die Strömungsmaschine 1 einen drehbar gelagerten Rotor 2, der um eine Rotationsachse 3 rotieren kann. Der Rotor 2 umfasst nicht näher dargestellte Leitschaufeln. Um den Rotor 2 ist ein Innengehäuse 4 angeordnet. Das Innengehäuse 4 umfasst nicht näher dargestellte Leitschaufeln. Zwischen dem Rotor 2 und dem Innengehäuse 4 ist ein Strömungskanal 6 ausgebildet, der durch die profilierte Ausgestaltung der Leit- und Laufschaufeln zu einer Umwandlung der thermischen Energie eines Dampfes in Rotationsenergie des Rotors 2 führt. Um das Innengehäuse 4 ist ein Außengehäuse 5 angeordnet.
  • Über einen nicht näher dargestellten Einströmstutzen strömt Frischdampf in die Dampfturbine 1 und wird im Strömungskanal 6 entspannt. Der entspannte Dampf strömt anschließend in einen Dampfraum 7, der zwischen dem Innengehäuse 4 und dem Außengehäuse 5 angeordnet ist. Wie im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1, das den Stand der Technik zeigt, strömt der Dampf zwischen einem Schubausgleichskolben 8 des Rotors 2 in den Dampfraum 7. Der Dampf bildet dabei sogenannte Schlieren 9, die einen mehr oder weniger unsymmetrischen Strömungsverlauf zeigen. In der Figur 1 sind exemplarisch drei Strähnen 9 dargestellt. Die Strähnen 9 umfassen hierbei einen heißen Dampf, der eine unterschiedliche Verteilung zeigt, die zu einer einseitigen Erwärmung des Innengehäuses 4 führen kann, was in der Figur 1 durch die asymmetrische elliptische Querschnittsansicht des Innengehäuses 4 dargestellt wird. Der Abstand zwischen dem Schubausgleichskolben 8 und dem Innengehäuse 4 links der Rotationsachse 3 ist geringer als der Abstand zwischen dem Schubausgleichskolben 8 und dem Innengehäuse 4 rechts der Rotationsachse 3.
  • Die Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausgestaltung der Strömungsmaschine. Wesentliches Merkmal ist, dass die Labyrinthdichtung 12 zwischen dem Schubausgleichskolben 8 und dem Innengehäuse 4 Mittel 10 aufweist, die zum Ablenken eines in der Labyrinthdichtung 12 befindlichen Dampfes ausgebildet ist.
  • Die Mittel 10 sind hierbei in Richtung der Rotationsachse 3 ausgebildet und führen dazu, dass ein Drall vermieden wird. In der Figur 2 sind lediglich zwei Mittel 10 mit dem Bezugszeichen 10 versehen.
  • Somit wirken die Mittel 10 als sogenannte Drallbrecher, die zu einer Homogenisierung der Vertiefung der Strähnen 9 führen. Zu sehen ist dies deutlich in der Figur 2. Es sind fünf Strähnen 9 eingezeichnet, die nahezu symmetrisch zur Rotationsachse 3 aus der Labyrinthdichtung 12 ausströmen und das Innengehäuse 4 gleichmäßig erwärmen. Jedenfalls wird keine einseitige Erwärmung des Innengehäuses 4 zu einer Verkrümmung führen, so dass die Radialspiele geringer sind als die Ausführungsform gemäß Figur 1.
  • Die Figur 3 zeigt ein Detail der Labyrinthdichtung 12 mit den Mitteln 10, die als Drallbrecher ausgeführt sind. Der Schubausgleichskolben 8 umfasst auf seiner Schubausgleichskolbenoberfläche 11 eine Labyrinthdichtung 12, die durch Strömungshindernisse 13 sowohl auf dem Schubausgleichskolben 8 als auch auf einer Innengehäuseoberfläche 14 angeordnet ist.
  • Das Mittel 10 kann hierbei als ein Blech ausgeführt werden, das im Wesentlichen in Rotationsachsenrichtung ausgerichtet ist. Das Mittel 10 kann hierbei im Innengehäuse 4 angeordnet werden. In alternativen Ausführungsformen kann das Mittel 10 in einem nicht näher dargestellten Segment angeordnet werden, wobei das Segment über nicht näher dargestellte Federelemente mit dem Innengehäuse 4 verbunden ist.

Claims (5)

  1. Strömungsmaschine (1),
    insbesondere Dampfturbine umfassend ein Außengehäuse (5), ein Innengehäuse (4), das innerhalb des Außengehäuses (5) angeordnet ist, einen Rotor (2), der drehbar gelagert innerhalb des Innengehäuses (4)angeordnet ist, einen Schubausgleichskolben (8), der integral mit dem Rotor (2) ausgebildet ist, einer Labyrinthdichtung (12) zwischen dem Schubausgleichskolben (8) und dem Innengehäuse (4), dadurch gekennzeichnet, dass
    Mittel (10) in der Labyrinthdichtung (12) angeordnet sind, die zum Ablenken eines in der Labyrinthdichtung (12) befindlichen Dampfes ausgebildet sind.
  2. Strömungsmaschine (1) nach Anspruch 1,
    wobei der Rotor (2) entlang einer Rotationsachse (3) ausgerichtet ist und die Mittel (10) derart ausgebildet sind, dass die Ablenkung des Dampfes im Wesentlichen in Richtung der Rotationsachse (3) erfolgt.
  3. Strömungsmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2,
    wobei die Mittel (10) im Innengehäuse (4) eingegossen sind.
  4. Strömungsmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2,
    wobei die Mittel (10) in einem Segment angeordnet sind.
  5. Strömungsmaschine (1) nach Anspruch 4,
    wobei das Segment über Federelemente mit dem Innengehäuse (4) verbunden ist.
EP13181439.4A 2013-08-23 2013-08-23 Strömungsführung innerhalb einer Dampfturbinendichtung Withdrawn EP2840229A1 (de)

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Citations (6)

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