CN100420825C - 蒸汽轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种沿着纵向(4)取向的透平轴(3)，它具有一个中间区段(20)和两个沿着所述纵向(4)固定在中间区段(20)上的外侧区段(21、22)，其中与所述两个外侧区段(21、22)相比，所述中间区段(20)由更高耐热性的材料制成。

Description

蒸汽轮机
技术领域
本发明涉及一种蒸汽轮机，它包括一沿着纵向取向的透平轴，该透平轴具有中间区段和两个沿着纵向固定在该中间区段中的外侧区段。
背景技术
本申请意义上的蒸汽轮机可以理解为各种被蒸汽形式的工作介质流过的透平或子透平。燃气透平与此不同，其中气体和/或空气作为工作介质流过，而该气体或空气处于与蒸汽轮机中的蒸汽完全不同的温度和压力条件下。与燃气透平相反，在蒸汽透平中，例如流向每一级透平中的、具有最高温度的工作介质同时具有最高压力。
蒸汽透平通常包括一个安装有叶片的、可旋转地支承的透平轴，该透平轴布置在壳体罩的内部。在已加热的、处于压力下的蒸汽流过由壳体罩构成的流动室内腔时，透平轴通过叶片借助于蒸汽进行旋转。透平轴的叶片也称为动叶片。此外，通常在壳体罩上悬挂地安装静止的导向叶片，这些静止的导向叶片伸入到动叶片的间隙中。导向叶片通常被固定在沿着蒸汽透平壳体内侧的第一位置上。同时，它通常是一个导向叶片轮的一部分。而该导向叶片轮包括一定数量的导向叶片，这些导向叶片沿着内圆周布置在蒸汽透平壳体的内侧上。因此，每个导向叶片以其叶片体沿着径向指向内。
蒸汽透平或者蒸汽子透平被分成高压、中压或者低压级透平。高压级透平中的入口处温度和入口处压力分别根据所使用的材料情况可以最大为700℃及300bar。高压级、中压级或者低压级透平之间的严格的界限，在专业技术领域内直到现在也没有给出统一的定义。
根据DIN-Norm4304(德国工业标准4304)，存在一种中压级子透平，当在该中压级子透平前连接一个高压级子透平时，新鲜蒸汽流入该高压级子透平，从高压级子透平中流出的蒸汽在中间加热器中得到中间加热，并且流入到中压级子透平中。根据Norm DIN4304(德国工业标准4304)，低压级子透平被定义为：把从中压级子透平中得到的压缩蒸汽作为新鲜蒸汽的透平。
具有整体式壳体的蒸汽透平是公知的，它是由高压和中压蒸汽透平组成的组合设计。这种蒸汽透平的特征在于一个共同的壳体和一个共同的透平轴，并且也被称为紧凑型子透平(Kompakt-Teilturbinen)。
紧凑型子透平的结构形式设计为“逆流”式或者“直流”式。在直流结构中，新鲜蒸汽流入到蒸汽透平中，并且基本上沿着蒸汽透平的轴向扩散通过高压级透平，然后返回到中间加热装置中并到达容器中，及从那里到达中压级透平。
在“逆流”结构中，新鲜蒸汽流过外壳体，并且基本上撞击到透平轴的中央，然后流过高压级透平。从高压级透平中流出的、膨胀的蒸汽在中间加热器中得到中间加热，并且在中压级透平前面的合适位置上又流入到蒸汽透平中。因此，蒸汽在高压级透平和中压级透平中的流动方向是相反的。欧洲专利申请EP 0 953 100公开了这样一种“逆流”式结构的蒸汽轮机。
由于蒸汽的温度不同，因此对透平轴提出了特殊要求。在高压级透平的流入区域中需要耐热的特性。在透平轴的端部处，在离心力的作用下需要较高的持久强度。此外，希望具有较好的韧性性能和抗拉强度。
至今，在紧凑型子透平中采用的是用一种材料制成的一体式透平轴。尤其对于大功率的透平，就意味着制造这种一体式透平轴的技术方案是费用较高的。一体式透平轴的另一个缺点在于，一定得在轴颈上进行相对较贵的堆焊。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种蒸汽轮机，它具有尤其适合用在紧凑型子透平中的透平轴。
上述技术问题通过这样一种一种蒸汽轮机来解决，其包括
-壳体，
-供新鲜蒸汽流入的一入流区域，
-包括导向叶片和动叶片的一高压部段，
-供中间加热过的蒸汽流入的一中压流入区域，
-包括导向叶片和动叶片并可被中间加热过的蒸汽流过的一中压部段，
其中，该中压部段和所述高压部段设计成，使得新鲜蒸汽的流向和所述中间加热过的蒸汽的流向是相反的，其中，所述蒸汽轮机还包括一沿着纵向定向的透平轴，该透平轴具有一个中间区段和两个沿着所述纵向设置在该中间区段外侧的外侧区段，其中，所述中间区段设置在所述入流区域和中压流入区域中，而所述其中一个外侧区段设置在所述高压部段中，所述另一个外侧区段则设置在所述中压部段中，按照本发明，所述中间区段固定在所述两个外侧区段上，并且与所述两个外侧区段相比由一种更高耐热性的材料制成。
本发明是基于如下认识，即对于确定的透平轴直径而言，从一定的转动频率起、例如50或者60Hz起，若进气温度超过一定的值、例如565℃，则需要改变透平轴的选材。其原因主要在于在离心力的作用下持久消耗
Figure C20058001575700051
增大。通过沿着纵向由三个区段组成的透平轴，提供了使用不同性能材料的可能性。一种由三个区段组成的透平轴与具有相同性能要求的一体式透平轴相比，要合理得多。
此外，相对于一体式透平轴而言，一种由三个区段构成的透平轴在材料方面也更具有优势，并且能最佳地与特别是耐冷和耐热性能相协调。
在一项有利的扩展设计中，所述两个外侧区段通过焊接点分别连接在所述中间区段上。因此，提供了一种相对有利的用于制造紧凑型子透平的紧凑透平轴的技术方案。
其中，所述中间区段由具有重量百分比为9-12％的铬的锻钢制成，以及所述两个外侧区段由具有重量百分比为1-2％的铬的钢制成。通过具有9-12％铬的锻钢和具有1-2％的铬的钢的组合设计，解决了在大于一定参数(例如565℃以上的高蒸汽温度、大转子直径和高的转动频率、如60Hz)时产生的离心力作用下持久损耗增大的问题。
在另一项有利扩展设计中，中间区段由具有重量百分比为10％的铬的锻钢制成，以及两个外侧区段由具有重量百分比为2％的铬的钢制成。同样地，两个外侧区段也可以由不同的材料制成。由此，提供了这样的可能性，即对于各应用区域，可以采用一种合适的材料。
附图说明
借助于说明书和附图来说明本发明的具体实施方式。其中相同功能的部件以相同的附图标记标注。附图中：
图1是紧凑型子透平的剖面图；
图2是紧凑子透平的一部分透平轴的剖面图。
具体实施方式
在图1中示出了紧凑型蒸汽透平1的剖面图。紧凑型蒸汽透平1具有外壳体2，透平轴3绕着旋转轴线4可旋转地支撑在该外壳体2内。紧凑型蒸汽透平1具有内壳体5，该内壳体5具有高压部段6和中压部段7。不同的导向叶片8固定在高压部段6中。
同样地，一定数量的导向叶片9固定在中压部段7中。透平轴3通过轴承10、11可旋转地支撑。
内壳体5与外壳体2相连。
蒸汽透平1具有高压部段12和中压部段13。动叶片14安置在高压部段12中。同样在中压部段15中安装动叶片15。
温度超过550℃且压力超过250bar的新鲜蒸汽流入到入流区域16中。新鲜蒸汽也可以具有其它不同温度和压力。新鲜蒸汽流过在高压部段12中的各导向叶片8和动叶片14，以及同时膨胀作功并冷却。因此，新鲜蒸汽的热能被转化成透平轴3的旋转能量。透平轴3沿着绕旋转轴线4所示出的方向进行旋转。
在流过高压部段6之后，来自流出区域17的蒸汽流入到一个未详细示出的中间加热器中，在那里达到更高的温度。之后，加热过的蒸汽通过未详细示出的管道流入到紧凑型蒸汽透平1的中压流入区域18中。经中间加热过的蒸汽在此期间流过动叶片15和导向叶片9以及因此膨胀作功且得到冷却。中间加热过的蒸汽动能转化成透平轴3的旋转能量，从而引起透平轴3旋转。在中压部段7中流出的、膨胀的蒸汽从紧凑型蒸汽透平1的流出区域19中流出。该流出的膨胀蒸汽可以应用在未详细示出的低压子透平中。
在图2中示出了透平轴3的一部分的剖面。透平轴3由一个中间区段20和两个外侧区段21和22构成。透平轴3通过外壳体5在支承区域23内支撑。
动叶片14、15没有详细示出。新鲜蒸汽首先冲击到透平轴3的中间区段20上并且在高压部段6中膨胀作功。同时，新鲜蒸汽冷却。在经过中间加热单元之后，具有高温的蒸汽又流入到中间区段20中。中间加热过的蒸汽首先在中压流入区域18的位置流入到透平轴3上，并且膨胀作功以及沿着中压部段7的方向冷却。然后，在中压部段7中膨胀且冷却的蒸汽从紧凑型子透平1中流出。
透平轴的中间区段20具有高耐热性的材料。该高耐热性材料是含有重量百分比为9-12％的铬的锻钢。在另一种实施方式中，中间区段也由镍基的材料制成。对于这种情况，两个外侧区段21和22由含有重量百分比为10-12％的铬的材料制成。
与中间区段20相比，两个外侧区段21和22由较低的高耐热性材料形成。两个外侧区段21和22由具有重量百分比为1-2％的铬的钢制成，或者基本上由含有重量百分比为3.5％镍的材料制成。
两个外侧区段21和22不一定由相同的材料制成。相反，相宜的是，两个外侧区段21和22由不同材料制成。
中间区段20和外侧区段21通过焊接点24相互连接。中间区段20也同样地通过另一个焊接点25与外侧区段22相连。在此，透平轴3沿着纵向构造，该纵向与旋转轴线4一致。
如果中间区段20由镍基的材料制造，那么外侧区段可以用具有重量百分比为9-12％铬的钢来制造。
如下面所描述的那样来制造透平轴3。中间区段20用耐热材料制造。与中间区段20相比，一个外侧区段21由耐热性较低的材料制造。与中间区段20相比，另一个外侧区段22同样用耐热性较低的材料制成。然后，将中间区段20与两个外侧区段21、22焊接起来。

Claims (6)

1. 一种蒸汽轮机(1)，其包括
-壳体(2、5)，
-供新鲜蒸汽流入的一入流区域(16)，
-包括导向叶片(8)和动叶片(14)的一高压部段(6、12)，
-供中间加热过的蒸汽流入的一中压流入区域(18)，
-包括导向叶片(9)和动叶片(15)并可被中间加热过的蒸汽流过的一中压部段(7)，
其中，该中压部段(7)和所述高压部段(6、12)设计成，使得新鲜蒸汽的流向和所述中间加热过的蒸汽的流向是相反的，其中，所述蒸汽轮机(1)还包括一沿着纵向(4)定向的透平轴(3)，该透平轴具有一个中间区段(20)和两个沿着所述纵向(4)设置在该中间区段(20)外侧的外侧区段(21、22)，其中，所述中间区段(20)设置在所述入流区域(16)和中压流入区域(18)中，而所述其中一个外侧区段(22)设置在所述高压部段(6)中，所述另一个外侧区段(21)则设置在所述中压部段(7)中，其特征在于，所述中间区段(20)固定在所述两个外侧区段(21、22)上，并且与所述两个外侧区段(21、22)相比由一种更高耐热性的材料制成。
2. 如权利要求1所述的蒸汽轮机(1)，其特征在于，所述两个外侧区段(21、22)通过焊接点(24、25)分别与所述中间区段(20)相连。
3. 如权利要求1或2所述的蒸汽轮机(1)，其特征在于，所述中间区段(20)由具有重量百分比为9-12％的铬的锻钢制成，所述两个外侧区段(21、22)由具有重量百分比为1-2％的铬的钢制成。
4. 如权利要求1或2所述的蒸汽轮机(1)，其特征在于，所述外侧区段(21、22)由不同的材料制成。
5. 如权利要求3所述的蒸汽轮机(1)，其特征在于，所述外侧区段(21、22)由不同的材料制成。
6. 如权利要求1所述的蒸汽轮机(1)，其特征在于，所述中间区段(20)是以镍为基的材料。
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