STEAM TURBINE

Abstract: 1. Multiple-stage steam turbine with closed circuit, with at least one rotor (6, 6', 6 ''), arranged in an enclosed turbine casing (1, 1'), which reveals several internal Laval nozzles (8, 25), which are connected to several Laval nozzles (9, 9', 9") arranged at the rotor perimeter, characterized by the fact that in each case an arc-shaped curved pipe (7, 7') is attached to the rotor (6, 6', 6") and runs directly consecutively from one of the internal Laval nozzles (8, 25), if the necessity arises via one or more further Laval nozzles, continuously to one of the Laval nozzles (9, 9', 9") arranged at the perimeter.

Description: Dampf turbine Die Erfindung betrifft eine Dampf turbine mit geschlossenem Kreislauf mit mindestens einem in einem geschlossenen Turbinengehäuse angeordneten Laufrad. Die Dampfturbine stellt seit etwa einem Jahrhundert die wichtigste Antriebsmaschine in Wärmekraftwerken dar; sie hat erhebliche Bedeutung erlangt als Schiffsantrieb, zum Antrieb von Pumpen, Kompressoren, Stromgeneratoren usw. Während in den ersten 50 Jahren dieses Zeitabschnitts eine rasche Entwicklung der Dampfturbine stattfand, zeigt die technische Literatur , dass in den vergangenen 50 Jahren die Entwicklung der Dampfturbine nicht mehr durch einschneidende Weiterentwicklungen gekennzeichnet ist. Von vielen Autoren wird die folgende systematische Einteilung der Dampfturbinen gewählt: a) Bei der Äktionsturbine wird das gesamte Wärmegefälle des Dampfes in den Düsen des gehäusefesten Leitrades umgesetzt; b) bei der Reaktionsturbine erfolgt die Umsetzung des Wärmegefälles im Laufrad; c) bei der Gegendruckturbine verlässt der Dampf die Turbine mit einem Druck, der über dem Atmosphärendruck liegt; d) der Abdampf der Kondensationsturbine wird einem Kondensator zugeführt, in dem Unterdruck herrscht. Es gibt auch Zwischenformen deraktioasturbine und der Reaktionsturbine, wobei das Wärmegefälle teilweise im Laufrad und teilsweise im Leitrad umgesetzt wird. Die erfindungsgemässe Dampfturbine ist als Gegendruck Reaktionsturbine einzuordnen, unterscheidet sich aber in wesentlichen Merkmalen von den herkömmlichen Turbinen dieser Gruppe. Bei jeder Dampfturbinen-Bauart ist es ein wesentliches Ziel, die Verluste gering zu halten, um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen. Einen wesentlichen Anteil der bei herkömmlichen Dampfturbinen auftretenden Verlusten haben die sogenannten Spaltverluste, die im spalt zwischen dem Laufrad und dem Leitrad bzw. am Umfang des Laufrades auftreten. Die Spaltverluste herkömmlicher Dampfturbinen können in der Grössenordnung von 7 bis 8 ffi angenommen werden. Weitere Verluste treten im Bereich von Dampfdicbtungen auf, beispielsweise an den Wellendichtungen, an einem Schubausgleicllskolben usw. Abhängig von der Grösse der Turbine müssen diese Verluste üblicherweise mit etwa 16 bis 22 ffi angenommen werden. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Dampfturbine der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der diese Verluste weitgehend vermieden oder zumindest stark herabgesetzt werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass das Laufrad an seinem Umfang mehrere, angenähert tangential angeordnete, für überkritisches Gefälle ausgelegte Düsen aufweist, die mit Hohlräumen im Laufrad zur Dampfzufuhr in Verbindung stehen, und dass das geschlossene Turbinengehäuse einen in den weiteren Dampfkreislauf führenden Dampfaustritt aufweist. Der thermische Wirkungsgrad dieser Dampf turbine ist wesentlich höher als bei herkömmlichen Konstruktionen, weil Spaltverluste und Dichtungsverluste weitgehend vermieden oder zumindest stark herabgesetzt werden, so dass nur Reibungs-, Isolierungs- und Strömungsverluste zu berücksichtigen sind, die zusammen nicht mehr als 4 bis 5 ffi bei einer Dampfturbine mittlerer Leistung betragen. Gegenüber einem durchschnittlichen Wirkungsgrad von 78 % einer herkömmlichen Gegendruckturbine und von 80 ffi einer herkömmlichen Kondensationsturbine bedeutet dies eine Wirkungsgradverbesserung um 12 bis 15 %. Ausserdem ist die Konstruktion der efflndungsgemässen Dampfturbine durch den Wegfall des Leitrades und der Schaufeln des Laufrades einfacher und robuster als herkömmliche Konstruktionen, so dass nicht nur die Herstellung einfacher und billiger ist, sondern auch die Betriebssicherheit erhöht wird, weil Schäden infolge mechanischer tiberbeanspruchung der Schaufeln ausgeschlossen sind. Neben dem Einsatz in Wärmekraftwerken ist die erfindungsgemässe Dampf turbine auch für den Antrieb von Schiffen, Lokomotiven und anderen Fahrzeugen geeignet. Die Verwendung von für überkritische Gefälle ausgelegten Düsen (sogenannten Lavaldüsen) ist im Dampfturbinenbau an sich bekannt. Diese Düsen, deren kleinster Querschnitt (sogenannter kritischer Querschnitt) im mittleren Düsenbereich liegt, ermöglicht die Umsetzung eines grossen Wärmegefälles, weil im engsten Querschnitt der Dampf mit der Schallgeschwindigkeit strömt, dioden Zustandswerten an dieser Stelle zugeordnet ist. In Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass die Dampfturbine in an sich bekannter Weise mehrstufig mit mehreren, auf einer gemeinsamen Läuferwelle auf gebrachteffLaufrädern.ausgeführt ist, und dass jeweils der Dampfaustritt einer Stufe mit den Hohlräumen im Laufrad der folgenden Stufe verbunden ist. Bei der erfindungsgemässen Dampfturbine kann diese mehrstufige Ausführung, die zur Ausnutzung des gesamten zur Verfügung stehenden Wärmegefälles erforderlich ist, in konstruktiv sehr einfacher Weise, nämlich ohne Leiträder verwirklicht werden. Zweckmässigerweise bestehen die Hohlräume im Laufrad aus einem zentralen Hohlraum im Wellenbereich und mehreren von dort jeweils zu einer Düse führenden Rohren. Damit ist in einfacher Weise die Zufuhr des Dampfes zu jedem einzelnen Laufrad auch bei einer mehrstufigen Ausführung möglich. Gemäss einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgedan- kens sind die am Umfang des Laufrades aufeinanderfolgenden Düsen abwechselnd axial nach beiden Seiten aus der Laufradebene leicht abgewinkelt. Dadurch wird erreicht, dass der aus einer Düse austretende Dampfstrahl nicht auf die nachfolgende Düse aufprallt, sondern frei an dieser vorbeiströmt. Trotz dieser axialen Abwinklung der einzelnen Düsen entsteht keine resultierende Axialkraft, die einen Axialkraftausgleich erforderlich machen würde, weil sich die von den abwechselnd nach beiden Seiten abgewinkelten Düsen erzeugten Axialkräfte am Laufrad gegenseitig aufheben. Bei einer anderen mehrstufigen Ausführungsform der Dampfturbine sind im Laufrad mindestens zwei Düsen hintereinandergeschaltet, so dass die Turbinenstufen so angeordnet sind, dass der stufenweise Abbau des Wärmegefälles nicht "horizontal" in den nebeneinanderliegenden Laufrädern stattfindet, sondern in jedem einzelnen Laufrad radial nacheinander, wobei alle Laufräder auf der Hochdruckseite gemeinsam mit Dampf versorgt werden und jeweils das gleiche Wärmegefälle in zwei oder mehr Stufen abbauen. In einer insbesondere für Fahrzeuge, wie Lokomotiven und Schiffe geeigneten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens zwei Laufräder miteinander entgegengesetzten Äustrittsrichtungen der Düsen angeordnet sind, und dass die beiden Laufräder wahlweise mit dem Hohlraum zur Dampfzufuhr verbindbar sind. Dadurch wird in konstruktiv sehr einfacher Weise ohne die Notwendigkeit eines Schaltgetriebes eine Drehrichtungsumkehr ermöglicht. Zur Umsteuerung dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass zentral in den Laufrädern bzw. einer die Laufräder tra genden Läuferwelle ein axial bewegbarer Schieber angeordnet ist, der wahlweise eines der beiden Laufräder gegenüber dem Hohlraum zur Dampf zufuhr absperrt. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der den Dampfaustritt der ggf. letzten Stufe verlassende Dampf im geschlossenen Kreislauf über einen Druckregenerator und wieder zum Laufrad der ggf. ersten Stufe geführt wird. Durch die Verwendung eines derartigen Druckregenerators, wie er beispielsweise aus der DE-OS 26 13 418 bekannt ist, wird ein besonders hohen Wirkungsgrad erreicht, weil der Dampf im geschlossenen Kreislauf nicht kondensiert und das Wasser wieder verdampft werden müsste. Stattdessen bleibt der Dampf in der Dampfphase; durch Wärmezufuhr wird sein Druck auf den am Turbineneinlass erwünschten Wert erhöht. Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher erläutert, de in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt: Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemässe Dampfturbine, Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-TI in Fig. 1, Fig. 3 eine Teil-Abwicklung des Laufradumfangs, Fig. 4 in einem senlcrechten Schnitt eine abgewandelte Ausführungsform einer Dampf turbine mit zwei nebeneinanderliegenden, jeweils zweistufigen Laufrädern, die zur Drehrichtungsumkehr wahl weise ansteuerbar sind, und Fig. 5 einen vereinfachten Schnitt längs der Linie V-V in Fig. 4. In einem Turbinengehäuse 1 ist eine Läuferwelle 2 an ihren Enden in Lagern 3, die vorzugsweise als Wälzlager ausgeführt sind, drehbar gelagert. Auf der Welle 2 ist eine Büchse 4 befestigt, die zwischen sich und der Welle 2 axial nebeneinander mehrere abgeteilte, als Ringräume ausgeführte Hohlräume 5 einschliesst. Auf der Büchse 4 sind mehrere scheibenförmige Laufräder 6 angebracht, die jeweils mehrere radiale Rohre 7 aufweisen, die einerseits über Bohrungen 8 mit den Ringräumen 5 in Verbindung stehen und an ihrem äusseren Ende in Umfangsrichtung abgewinkelt und dort jeweils mit einer Düse 9 (Fig.2) verbunden sind, die als sogenannte Lavaldüse mit einem Querschnitt ausgeführt sind, der sich vom Düseneintritt bis zu einem engsten Querschnitt verringert und zum Düsenaustritt hin wieder erweitert. Die Laufräder 6 sind jeweils in einer Gehäusekammer 10 des Turbinengehäuses 1 frei drehbar angeordnet. Jede Gehäusekammer 10 weist einen Dampfaustritt 11 auf, der jeweils über eine Zwischenkammer 12, mehrere radiale Gehäusebohrungen 13 und mehrere radiale Bohrungen 14 der Büchse 4 mit einem der ringförmigen Hohlräume 5 in Verbindung steht. Diese Öffnungen, durch die der Dampf strömt, können auch in der Art von Lavaldüsen ausgeführt sein, wie in der Zeichnung dargestellt, um die Strömungsverluste gering zu halten. In Fig. 1 ist eine mehrstufige Dampfturbine dargestellt. Der Dampf gelangt durch eine Dampfzufuhrleitung 15 durch eine Gehäusebohrung 16 und eine radiale Bohrung 17 der Büchse 4 in den Ringraum 5 der ersten Stufe. Nach dem Durchströmen der Düsen 9 des Laufrads 6 der ersten Stufe gelangt der Dampf durch den Dampfaustritt 11 in den Ringraum 5 der zweiten Stufe usw., bis der Dampf durch den Dampfaustritt 11 der letzten Stufe über eine Leitung 18 zu einem in Fig. 1 nur schematisch angedeuteten Druckregenerator 19 und von dort über eine Leitung 20 und einen Regler 21 im geschlossenen Kreislauf wieder in die Dampfzufuhrleitung 15 gelangt. Aus Fig. 3 erkennt man, dass die einzelnen Düsen 9 jeweils in einem flachen Winkel zur Laufradebene angeordnet sind, so dass die aus den Düsen 9 austretenden Dampfstrahlen nicht auf die jeweils benachbarte Düse 9 treffen. Die Düsen 9 sind an Stegblechen 22 angeschraubt bzw. mit diesen verschweisst. Auch die Rohre 7 sind mit diesen Stegblechen 22 verschweisst, so das die einzelnen Laufräder 6 jeweils ein scheibenförmiges Bauteil bilden. Die Abdichtung der einzelnen Turbinenstufen gegeneinander und gegen die Atmosphäre erfolgt durch in Fig. 1 nur schematisch angedeutete Stopfbuchsen 23 oder ähnliche Dichtungen. Da sich der Dampf beim Durchströmen der einzelnen Stufen zunehmend ausdehnt, haben die Rohre 7 aufeinanderfolgender Turbinenstufen unter Berücksichtigung der Kontinuitätsgleichung zunehmend grössere Durchmesser. Beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 4 und 5 ist in einem zweiteiligen Turbinengehäuse 1' eine Läuferwelle 2' in Lagern 3' gelagert, die beispielsweise als Gleitlager aus Weissmetall ausgeführt sind. Auf der Lauferwelle 2' sind nebeneinander zwei scheibenförmige Laufräder 6t und 6" angeordnet, die jeweils an ihrem Umfang mehrere, tangential gerichtete Düsen 9 bzw. 911 tragen, die ebenso wie die Düsen 9 des vorher beschriebenen Ausführungsbeispiels als sogenannte Lavaldüsen mit einem Querschnitt ausgeführt sind, der sich vom Düseneintritt bis zu einem engsten Querschnitt verringert und zum Düsenaustritt hin wieder erweitert. Die Austrittsrichtung der Düsen 9' des einen Laufrades 62 und der Düsen 9 des anderen Laufrades 611 sind jedoch tangential entgegengesetzt. Auch bei diesem Äusführungsbeispiel sind die Laufräder 6' und 6'' in. einer Gehäusekammer 10' des Turbinengehäuses 1' frei drehbar angeordnet, die ebenfalls einen Dampfaustritt 11' aufweist. An einem Ende des Turbinengehäuses 1' ist ein Deckel 24 angebracht, durch den zentral eine Dampfzufuhrleitung 15' in einen zentralen Hohlraum 5' der Läuferwelle 2' führt. Von dort gelangt der Dampf über tangential angeordnete Düsen 25, die ebenfalls als Lavaldüsen für überkritisches Gefälle ausgelegt sind, in bogenförmig ge krümmte Rohre 7t, die nach aussen zu den Düsen 9' bzw. 9 1 verlaufen. In den auf dem Laufrad innenliegenden Düsen 25 erfolgt der Abbau des Wärmegefälles des Dampfes in einer ersten Stufe. Die aussenliegenden Düsen 91 bzw. 9" bilden die zweite Stufe. Vom Dampfaustritt 11' fliesst der Dampf - wie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben - zu einem Druckregenerator (in Fig.4 nicht dargestellt) und von dort im geschlossenen Kreislauf wieder in die Dampfzu fuhrleltung 151. Abweichend von dem Ausführungsbeispiel, bei dem der Dampf nacheinander zwei Düsen 25und bzw. 911 durch- strömt, können abhängig von der Grösse des Wärmegefälles auch drei oder mehr Düsen hintereinandergeschaltet sein. Da die Düsen 9' des Laufrades 6 und die Düsen 9t des Laufrades 611 tangential entgegengesetzt sind, lässt sich die Drehrichtung der Läuferwelle 21 dadurch ändern, dass wahlweise das Laufrad 6' oder das Laufrad 6" mit Dampf beaufschlagt wird. Hierzu ist im Hohlraum 5' der Läuferwelle 2' ein Schieber 26 axial verschiebbar angeordnet, der an seinem der Dampfzufuhrleitung 15' zugekehrten Ende eine Büchse 27 aufweist, die über Stege 28 mit einem Kolbenförmigen Schieberteil 29 verbunden ist. Zwischen den Stegen 28 hindurch tritt der Dampf in den Innenraum jeweils eines der Laufräder 6' bzw. 6' ein. Der Schieber 26 ist über eine Kolbenstange 30 mit einem Kolben 31 verbunden. Ein Ring 32 umgibt die Kolbenstange 30 dichtend und kann auf seinen beiden Seiten abwechselnd mit hydraulischem Druck über Hydraulikleitungen 33 beaufschlagt werden. Dadurch wird der Schieber 26 wahlweise in eine seiner beiden axialen Endstellungen bewegt, so dass wahlweise das Laufrad 61 oder das Laufrad 6" mit Dampf beaufschlagt wird. Entsprechend kehrt sich die Drehrichtung der Läuferwelle 2' um. In Fig. 5 ist nur das eine Laufrad 6'µ dargestellt. Das andere Laufrad 6' ist vollständig spiegelbildlich zum Laufrad 6" ausgeführt. Wie man in Fig. 4 erkennt, besteht die Läuferwelle 2' aus zwei Hohlwellen 34 und 35, die zwischen sich die Laufräder 6' und 6 " aufnehmen, wobei zwischen diesen beiden Laufrädern noch ein Wellenzwischenstück 36 angeordnet ist. Die eine Hohlwelle 35 ist mit einem Wellenzapfen 37 verbunden. Die in den Fig. 4 und 5 gezeigte Ausführungsform ist besonders für schwere Fahrzeuge geeignet, wie Lokomotiven, Schiffe usw. Die Maschine benötigt keinen Regler. Es versteht sich, dass die Dampfturbine mit hintereinandergeschalteten Düsen 25 und 6' nach den Fig. 4 und 5 auch ohne Einrichtung zur Drehrichtungsumkehr ausgeführt sein kann, beispielsweise mit mehreren nebeneinanderliegenden Laufrädern 6', die mit dem gemeinsamen Hohlraum 5' verbunden sind. Bezugszeichenliste Turbinengehäuse 1, 1' Kolben 31 Läuferwelle 2, 2' Ring 32 Lager 3 Hydraulikleitung 33 Büchse 4 Hohlwelle 34 Ringraum 5, 5' Hohlwelle 35 Laufrad 6, 6', 611 Wellenzwischenstück 36 Rohr 7, 7' Wellenzapfen 37 Bohrung 8 Düse 9, 91, 9" 1 Gehäusekammer 10, 10' Dampfaustritt 11, 11' Zwischenkammer 12 Gehäusebohrung 13 Bohrung 14 Dampfzufuhrleitung 15, 15' Gehäusebohrung 16 Bohrung 17 Leitung 18 Druckregenerator 19 Leitung 20 Regler 21 Stegblech 22 Stopfbuchse 23 Deckel 24 Düsen 25 Schieber 26 Büchse 27 Stege 28 Schieberteil 29 Kolbenstange 30

Claims: Dampf turbine Patentansprüche: 1. Dampfturbine mit geschlossenem Kreislauf mit minde stens einem in einem geschlossenen Turbinengehäuse (1, 1') angeordneten Laufrad (6, 6', 6"), dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (6, 6', 6") an seinem Umfang mehrere, angenähert tangential angeordnete, für überkritische Gefälle ausgelegte Düsen (9, 9', 911) aufweist, die mit Hohlräumen (5, 7, 5', 7') im Laufrad (6, 6', 6") zur Dampf zufuhr in Verbindung stehen, ur.ddass das ge schlossene Turbinengehäuse (1, 1') einen in den wei teren Dampfkreislauf führenden Dampfaustritt (11, ii') aufweist. 2. Dampfturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfturbine mehrstufig mit mehreren, auf einer gemeinsamen Läuferwelle (2) angebrachten Lauf rädern (6) ausgefüilrt ist, und dass jeweils der Dampf austritt (11) einer Stufe mit den Hohlräumen (5, 7) im Laufrad (6) der folgenden Stufe verbunden ist. 3. Dampfturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume im Laufrad (6) für jede Turbinen stufe jeweils einen gesonderten zentralen Hohlraum (5) im Wellenbereich und mehrere, von dort jeweils zu einer Düse (9) führende Rohre (7) aufweisen. 4. Dampfturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die am Umfang des Laufrades (6) aufeinanderfol genden Düsen (9) abwechslend axial nach beiden Sei ten aus der Laufradebene leicht abgewinkelt sind. 5. Dampfturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfturbine mehrstufig ausgeführt ist und dass im Laufrad (6' bzw. 6") mindestens zwei Düsen (25, 9 bzw. g") hintereinandergeschaltet sind. 6. Dampf turbine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Laufräder (6', 6" ) nebeneinander ange ordnet sind, die mit einem gemeinsamen Hohlraum (5') zur Dampf zufuhr in Verbindung stehen. 7. Dampf turbine nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Laufräder (6', 6") miteinander entgegengesetzten Austrittsrichtungen der Düsen (9', g") angeordnet sind, und dass die beiden Laufräder (6, 6" ) wahlweise mit dem Hohlraum (5') zur Dampf zufuhr zur Drehrichtungsumkehr verbindbar sind. 8. Dampfturbine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zentral in den Laufrädern (6, 6") bzw. einer die Laufräder tragenden Läuferwelle (2') ein axial bewegbarer Schieber (29) angeordnet ist, der wahl weise eines der beiden Laufräder (6' bzw. 611) ge genüber dem Hohlraum (5') zur Dampfzufuhr absperrt. 9. Dampf turbine nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass der den Dampfaustritt (11, 11') der gegebenen falls letzten Stufe verlassende Dampf im geschlos senen Kreislauf über einen Druckregenerator (19) und wieder zum Laufrad (6, 6', 6'') der gegebenen falls ersten Stufe geführt wird0

Inventors: MORCOV, PAUL, DIPL.-ING.
Applicants: MORCOV, PAUL, DIPL.-ING.
Application year: 1981
Main classification: F01D1
IPC codes: F01D1