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EP1559872A1 - Strömungsmaschine - Google Patents

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Publication number
EP1559872A1
EP1559872A1 EP04002157A EP04002157A EP1559872A1 EP 1559872 A1 EP1559872 A1 EP 1559872A1 EP 04002157 A EP04002157 A EP 04002157A EP 04002157 A EP04002157 A EP 04002157A EP 1559872 A1 EP1559872 A1 EP 1559872A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
turbine
steam
pressure
turbine shaft
turbomachine
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Withdrawn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
EP04002157A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Norbert Thamm
Andreas Ulma
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
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=34639429&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP1559872(A1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to EP04002157A priority Critical patent/EP1559872A1/de
Priority to EP05701171A priority patent/EP1735525B1/de
Priority to PL05701171T priority patent/PL1735525T3/pl
Priority to CNB2005800080518A priority patent/CN100404794C/zh
Priority to ES05701171T priority patent/ES2287892T3/es
Priority to US10/587,628 priority patent/US7404699B2/en
Priority to JP2006550076A priority patent/JP4532507B2/ja
Priority to PCT/EP2005/000710 priority patent/WO2005073517A1/de
Priority to DE502005001076T priority patent/DE502005001076D1/de
Publication of EP1559872A1 publication Critical patent/EP1559872A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
    • F01D25/26—Double casings; Measures against temperature strain in casings
    • 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
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • 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
    • 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
    • F05D2240/00—Components
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    • F05D2300/10—Metals, alloys or intermetallic compounds
    • F05D2300/13—Refractory metals, i.e. Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W
    • F05D2300/132—Chromium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/50—Intrinsic material properties or characteristics
    • F05D2300/502—Thermal properties

Definitions

  • the invention relates to a turbomachine with a Inner housing and a rotatably mounted turbine shaft.
  • each turbine or sub-turbine understood by a working medium in the form of steam is flowed through.
  • gas turbines with gas and / or air as the working medium flows through, but completely different temperature and pressure conditions is subject to the steam of a steam turbine.
  • gas turbines has steam turbines z.
  • a steam turbine usually includes one with shovels rotatably mounted turbine shaft, which within an inner housing is arranged. When flowing through the inner housing interior space of the flow space with heated and formed pressurized steam, the turbine shaft on the Shovel rotated by the steam.
  • the blades of the turbine shaft are also called blades designated.
  • On the inner housing are also usually Guide vanes suspended in the interstices of the Grasping blades.
  • the inner housing can also be called Designate housing shell.
  • a vane is usually at a first location along an inside of the steam turbine casing held. She is usually part of it a vane ring, which has a number of vanes includes, along an inner circumference of the inner housing are arranged. In this case, each vane with her Airfoil radially inward.
  • Steam turbines or steam turbine engines can be used in high-pressure, Medium-pressure or low-pressure turbine sections are divided.
  • the inlet temperatures and inlet pressures of high-pressure turbine sections can be 600 ° C or 300 bar.
  • the object of the present invention is to provide a turbomachine in particular steam turbine, with an inner housing and specify a rotatably mounted turbine shaft, the production-oriented can be performed more easily.
  • turbomachine with an inner housing and a rotatably mounted turbine shaft, the inner casing and the turbine shaft are out made of different materials.
  • the invention is based on the finding that the use of same high-chromium materials for both Turbine shaft as well as for the inner housing not necessary is. It was surprisingly found that the Thermal expansion for high steam conditions in the used Masses for the turbine shaft and the inner housing lower are considered a given tolerance limit.
  • the inner housing made of a material with lower heat resistance, as the material from which the turbine shaft is made.
  • the possibility is created to use for the inner housing a material that has a lower heat resistance compared to the material used for the turbine shaft.
  • the material used for the inner case may have higher mechanical strength. Hot strength is understood to mean a permissible stress stress at high temperatures.
  • a chrome steel with 9 to 12 wt.% Chromium has a high Heat resistance, especially when used for turbine shafts is necessary at high steam conditions.
  • a chrome steel with 1 Although up to 2 wt.% Chromium has a lower heat resistance as the chrome steel with 9 to 12 wt.% Chromium, but one higher mechanical strength. Therefore, a chrome steel is with 1 to 2 wt.% Chromium very good in environments with lower suitable for thermal loads. In particular, this is Chrome steel for inner housings in steam turbines with high steam conditions suitable.
  • the use of different materials for the inner casing and for the turbine shaft is particularly suitable in Steam turbines, high-pressure turbine sections, medium-pressure turbine sections, Combined high-pressure and medium-pressure turbine sections or combined medium-pressure and low-pressure sub-turbines.
  • the different materials in pumps, compressors, Gas turbines or compressors are used.
  • the compact steam turbine 1 has an outer casing 2, in which a turbine shaft 3 about an axis of rotation 4 is rotatably mounted.
  • the compact steam turbine 1 has an inner housing 5 with a high pressure part 6 and a Medium-pressure part 7 on. In the high pressure part 6 are different Guide vanes 8 attached.
  • the turbine shaft 3 is by means of bearings 10, 11th rotatably mounted.
  • the inner housing 5 is connected to the outer housing 2 connected.
  • the steam turbine 1 has a high-pressure section 12 and a medium-pressure section 13. In the high pressure section 12 Blades 14 are attached. In the medium pressure section 13 are also blades 15 attached.
  • Der Live steam flows through the individual guide vanes 8 and Blades 14 in the high pressure part 12 and is thereby relaxed and cooled.
  • the thermal energy of the Live steam is converted into rotational energy of the turbine shaft 3.
  • the turbine shaft 3 is thereby in a to the Rotation axis 4 shown direction rotated.
  • the turbine shaft 3 is in a storage area 23 with the Outer housing 5 stored.
  • the blades 14, 15 are not shown in more detail.
  • the live steam first hits the middle region 16 of the turbine shaft 3 and relaxes in the high pressure part 6.
  • the live steam cools down here.
  • the reheated steam flows first at the location of the medium-pressure inflow 18 on the turbine shaft 3 and relaxes and cools in Direction of the medium-pressure part 7 from.
  • the medium pressure part in the 7th then relaxed and cooled steam then flows out
  • the turbine shaft 3 has a heat-resistant material.
  • the heat resistant material is a chrome steel with 9 to 12 wt.% Chromium part.
  • the inner case 5 is made of a different material.
  • the inner housing 5 is made of a material produced with lower heat resistance than the material from which the turbine shaft 3 is made.
  • the inner housing is made in particular of a chromium steel with 1 produced up to 2 wt.% Chromium.
  • Different materials can be used for the turbine shaft 3 and for the inner housing 5 in high-pressure turbine sections, in medium-pressure turbine sections, Combined high-pressure and medium-pressure turbine sections or combined medium-pressure and low-pressure sub-turbines, Pumps, compressors, gas turbines or Compressors are used.

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  • Materials Engineering (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Dampfturbine, mit einem Innengehäuse (5) und einer drehbar gelagerten Turbinenwelle (3), dadurch gekennzeichnet, dass das Innengehäuse (5) und die Turbinenwelle (3) aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine mit einem Innengehäuse und einer drehbar gelagerten Turbinenwelle.
Unter einer Dampfturbine als Ausführungsform einer Strömungsmaschine im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird jede Turbine oder Teilturbine verstanden, die von einem Arbeitsmedium in Form von Dampf durchströmt wird. Im Unterschied dazu werden Gasturbinen mit Gas und/oder Luft als Arbeitsmedium durchströmt, das jedoch völlig anderen Temperatur- und Druckbedingungen unterliegt als der Dampf bei einer Dampfturbine. Im Gegensatz zu Gasturbinen weist bei Dampfturbinen z. B das einer Teilturbine zuströmende Arbeitsmedium mit der höchsten Temperatur gleichzeitig den höchsten Druck auf. Eine Dampfturbine umfasst üblicherweise eine mit Schaufeln besetzte drehbar gelagerte Turbinenwelle, die innerhalb eines Innengehäuses angeordnet ist. Bei Durchströmung des vom Innengehäuse gebildeten Innenraums des Strömungsraums mit erhitztem und unter Druck stehendem Dampf wird die Turbinenwelle über die Schaufel durch den Dampf in Drehung versetzt.
Die Schaufeln der Turbinenwelle werden auch als Laufschaufeln bezeichnet. Am Innengehäuse sind darüber hinaus üblicherweise Leitschaufeln aufgehängt, welche in die Zwischenräume der Laufschaufeln greifen. Das Innengehäuse kann man auch als Gehäusemantel bezeichnen. Eine Leitschaufel ist üblicherweise an einer ersten Stelle entlang einer Innenseite des Dampfturbinengehäuses gehalten. Dabei ist sie üblicherweise Teil eines Leitschaufelkranzes, welcher eine Anzahl von Leitschaufeln umfasst, die entlang eines Innenumfangs des Innengehäuses angeordnet sind. Dabei weist jede Leitschaufel mit ihrem Schaufelblatt radial nach innen.
Dampfturbinen oder Dampfteilturbinen können in Hochdruck-, Mitteldruck- oder Niederdruck-Teilturbinen eingeteilt werden. Die Eingangstemperaturen und Eingangsdrücke bei Hochdruck-Teilturbinen können 600°C bzw. 300 bar betragen.
Es sind eingehäusige Dampfturbinen bekannt, die eine Kombination aus einer Hochdruck- und einer Mitteldruckdampfturbine darstellen. Diese Dampfturbinen sind gekennzeichnet durch ein gemeinsames Gehäuse und eine gemeinsame Turbinenwelle und werden auch als Kompakt-Teilturbinen bezeichnet.
Bei Dampfturbinen für höhere Dampfzustände wird üblicherweise ein Material aus hochchromhaltigem Werkstoff eingesetzt. Der hochchromhaltige Werkstoff ist üblicherweise ein Chromstahl mit 9 bis 12 Gew.% Chromanteil. Bisher wurde als Material für das Innengehäuse der gleiche Werkstoff eingesetzt, der auch für die Turbinenwelle eingesetzt wird. Dies wurde mit notwendigerweise gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten für die Welle und das Gehäuse begründet. Der Einsatz des hochchromhaltigen Werkstoffes für die Turbinenwelle und das Innengehäuse führt zu kostenintensiven Ausführungsformen einer Dampfturbine.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Strömungsmaschine, insbesondere Dampfturbine, mit einem Innengehäuse und einer drehbar gelagerten Turbinenwelle anzugeben, die fertigungsorientiert einfacher ausgeführt werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Strömungsmaschine mit einem Innengehäuse und einer drehbar gelagerten Turbinenwelle, wobei das Innengehäuse und die Turbinenwelle aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Einsatz von gleichen hochchromhaltigen Werkstoffen sowohl für die Turbinenwelle als auch für das Innengehäuse nicht notwendig ist. Es wurde überraschenderweise festgestellt, dass die Wärmeausdehnung für hohe Dampfzustände bei den eingesetzten Massen für die Turbinenwelle und des Innengehäuses geringer sind als eine vorgegebene Toleranzgrenze.
Bisher wurde bei der Fertigung von Strömungsmaschinen, insbesondere Dampfturbinen, gleichartige Werkstoffe für die Turbinenwelle als auch für das Innengehäuse eingesetzt. Um eine Dampfturbine schnell zu fertigen, müssen die Materialien für das Innengehäuse und für die Turbinenwelle zeitnah verfügbar sind. Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag, unterschiedliche Materialien für das Innengehäuse und die Turbinenwelle einzusetzen ist es möglich, eine Dampfturbine fertigungsorientiert einfacher auszubilden.
In einer vorteilhaften Weitergestaltung ist das Innengehäuse aus einem Material mit geringerer Warmfestigkeit hergestellt, als das Material, aus dem die Turbinenwelle hergestellt ist.
Durch den Einsatz von einem Material für das Innengehäuse mit geringerer Warmfestigkeit als das Material für die Turbinenwelle ist es möglich, eine Strömungsmaschine kostengünstiger auszubilden, da Material mit hoher Warmfestigkeit üblicherweise teurer ist als Material mit geringerer Warmfestigkeit.
Darüber hinaus wird die Möglichkeit geschaffen, für das Innengehäuse ein Material einzusetzen, das gegenüber dem Material, das für die Turbinenwelle eingesetzt wird, eine geringere Warmfestigkeit besitzt. Außerdem kann das Material, das für das Innengehäuse eingesetzt wird, eine höhere mechanische Festigkeit besitzen.
Mit Warmfestigkeit wird eine zulässige Spannungsbeanspruchung bei hohen Temperaturen verstanden.
In einer vorteilhaften Weitergestaltung ist die Turbinenwelle aus einem Chromstahl mit 9 bis 12 Gew.% Chrom und das Innengehäuse aus einem Chromstahl mit 1 bis 2 Gew.% Chrom hergestellt.
Ein Chromstahl mit 9 bis 12 Gew.% Chrom besitzt eine hohe Warmfestigkeit, die besonders beim Einsatz für Turbinenwellen bei hohen Dampfzuständen notwendig ist. Ein Chromstahl mit 1 bis 2 Gew.% Chrom besitzt zwar eine geringere Warmfestigkeit als der Chromstahl mit 9 bis 12 Gew.% Chrom, dafür aber eine höhere, mechanische Festigkeit. Daher ist ein Chromstahl mit 1 bis 2 Gew.% Chrom sehr gut in Umgebungen mit geringeren thermischen Belastungen geeignet. Insbesondere ist dieser Chromstahl für Innengehäuse in Dampfturbinen mit hohen Dampfzuständen geeignet.
Der Einsatz von verschiedenen Materialien für das Innengehäuse und für die Turbinenwelle ist besonders geeignet in Dampfturbinen, Hochdruck-Teilturbinen, Mitteldruck-Teilturbinen, kombinierten Hochdruck- und Mitteldruck-Teilturbinen oder kombinierten Mitteldruck- und Niederdruck-Teilturbinen. Ebenso können die verschiedenen Materialien in Pumpen, Verdichtern, Gasturbinen oder Kompressoren eingesetzt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Dabei haben mit denselben Bezugszeichen versehene Komponenten die gleiche Funktionsweise.
Die einzige Zeichnungsfigur zeigt im einzelnen:
  • ein Schnittbild durch eine Kompakt-Teilturbine.
    • In der Figur ist ein Schnittbild einer Kompakt-Dampfturbine 1 dargestellt. Die Kompakt-Dampfturbine 1 weist ein Außengehäuse 2 auf, in dem eine Turbinenwelle 3 um eine Rotationsachse 4 drehbar gelagert ist. Die Kompakt-Dampfturbine 1 weist ein Innengehäuse 5 mit einem Hochdruckteil 6 und einem Mitteldruckteil 7 auf. Im Hochdruckteil 6 sind verschiedene Leitschaufeln 8 angebracht.
    Im Mitteldruckteil 7 ist ebenso eine Anzahl von Leitschaufeln 9 angebracht. Die Turbinenwelle 3 ist mittels Lagern 10, 11 drehbar gelagert. Das Innengehäuse 5 ist mit dem Außengehäuse 2 verbunden.
    Die Dampfturbine 1 weist einen Hochdruckabschnitt 12 und einen Mitteldruckabschnitt 13 auf. Im Hochdruckabschnitt 12 sind Laufschaufeln 14 angebracht. Im Mitteldruckabschnitt 13 sind ebenso Laufschaufeln 15 angebracht.
    Frischdampf mit Temperaturen von über 550°C und einem Druck von über 250 bar strömt in einen Einströmbereich 16. Der Frischdampf durchströmt die einzelnen Leitschaufeln 8 und Laufschaufeln 14 im Hochdruckteil 12 und wird hierbei entspannt und abgekühlt. Hierbei wird die thermische Energie des Frischdampfes in Rotationsenergie der Turbinenwelle 3 umgewandelt. Die Turbinenwelle 3 wird dadurch in eine um die Rotationsachse 4 dargestellte Richtung in Drehung versetzt.
    Nach der Durchströmung des Hochdruckteils strömt der Dampf aus einem Ausströmbereich 17 in einen nicht näher dargestellten Zwischenüberhitzer und wird dort auf eine höhere Temperatur und auf einen höheren Druck gebracht. Dieser erhitzte Dampf strömt anschließend über nicht näher dargestellte Leitungen in einen Mitteldruckeinströmbereich 18 in die Kompakt-Dampfturbine 1 ein. Der im Zwischenüberhitzer erhitzte Dampf strömt hierbei an den Laufschaufeln 15 und Leitschaufeln 9 vorbei und wird hierdurch entspannt und abgekühlt. Die Umwandlung der inneren Energie des zwischenüberhitzten Dampfes in eine kinetische Energie bewirkt eine Rotation der Turbinenwelle 3. Der im Mitteldruckteil 7 ausströmende und entspannte Dampf strömt aus einem Ausströmbereich 19 aus der Kompakt-Dampfturbine 1. Dieser ausströmende und entspannte Dampf kann in nicht näher dargestellten Niederdruck-Teilturbinen eingesetzt werden.
    Die Turbinenwelle 3 ist in einem Lagerbereich 23 mit dem Außengehäuse 5 gelagert. Die Laufschaufeln 14, 15 sind nicht näher dargestellt. Der Frischdampf trifft zunächst auf den mittleren Bereich 16 der Turbinenwelle 3 und entspannt sich im Hochdruckteil 6. Der Frischdampf kühlt sich hierbei ab. Nach dem Zwischenüberhitzer strömt der aus dem Hochdruckteil entspannte Dampf mit einer hohen Temperatur wieder in den mittleren Bereich 20. Der zwischenüberhitzte Dampf strömt zunächst an der Stelle des Mitteldruck-Einströmbereichs 18 auf die Turbinenwelle 3 und entspannt sich und kühlt sich in Richtung des Mitteldruckteils 7 ab. Der im Mitteldruckteil 7 entspannte und abgekühlte Dampf strömt dann anschließend aus der Kompakt-Teilturbine 1. Die Turbinenwelle 3 weist ein hochwarmfestes Material auf. Das hochwarmfeste Material ist ein Chromstahl mit 9 bis 12 Gew.% Chromanteil. Das Innengehäuse 5 wird aus einem unterschiedlichen Material hergestellt. Insbesondere wird das Innengehäuse 5 aus einem Material mit geringerer Warmfestigkeit hergestellt als das Material aus dem die Turbinenwelle 3 hergestellt ist.
    Das Innengehäuse wird insbesondere aus einem Chromstahl mit 1 bis 2 Gew.% Chrom hergestellt.
    Unterschiedliche Materialien können für die Turbinenwelle 3 und für das Innengehäuse 5 in Hochdruck-Teilturbinen, in Mitteldruck-Teilturbinen, kombinierten Hochdruck- und Mitteldruck-Teilturbinen oder kombinierten Mitteldruck- und Niederdruck-Teilturbinen, Pumpen, Verdichtern, Gasturbinen oder Kompressoren eingesetzt werden.

    Claims (8)

    1. Strömungsmaschine (1), mit einem Innengehäuse-(5) und einer drehbar gelagerten Turbinenwelle (3),
      dadurch gekennzeichnet, dass
      das Innengehäuse (5) und die Turbinenwelle (3) aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind.
    2. Strömungsmaschine (1) nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      das Innengehäuse (5) aus einem Material mit geringerer Warmfestigkeit hergestellt ist, als das Material, aus dem die Turbinenwelle (3) hergestellt ist.
    3. Strömungsmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Turbinenwelle (3) aus einem Chromstahl mit 9 bis 12 Gew.% Chrom und das Innengehäuse (5) aus einem Chromstahl mit 1 bis 2 Gew.% Chrom hergestellt ist.
    4. Strömungsmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ausgebildet als Dampfturbine.
    5. Strömungsmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ausgebildet als Hochdruck-Teilturbine.
    6. Strömungsmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ausgebildet als Mitteldruck-Teilturbine.
    7. Strömungsmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ausgebildet als kombinierte Hochdruck- und Mitteldruck-Teilturbine.
    8. Strömungsmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ausgebildet als kombinierte Mittel- und Niederdruck-Teilturbine.
    EP04002157A 2004-01-30 2004-01-30 Strömungsmaschine Withdrawn EP1559872A1 (de)

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    Country Status (8)

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    EP (2) EP1559872A1 (de)
    JP (1) JP4532507B2 (de)
    CN (1) CN100404794C (de)
    DE (1) DE502005001076D1 (de)
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