CN101094971B - 涡轮机装置的优化的涡轮机级以及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涡轮机装置的涡轮机(100)，尤其是一种蒸汽涡轮机装置的蒸汽涡轮机。该涡轮机包括至少一个带有径向的或者对角线的入口和轴向的出口的径向的或者对角线的涡轮机级(120)和至少一个带有轴向的入口和轴向的出口的轴向涡轮机级(121-125)。所述至少一个径向的或者对角线的涡轮机级(120)构成涡轮机(100)的第一级，并且所述至少一个轴向涡轮机级(121-125)作为其它的涡轮机级设置在径向的或者对角线的涡轮机级(121)的下游。所述至少一个径向的或者对角线的涡轮机级(120)比所述至少一个轴向涡轮机级(121-125)具有更高的耐热性。按本发明的涡轮机(100)可以大大提高蒸汽涡轮机装置的过程温度，其中只需要为径向的或者对角线的涡轮机级(120)的部件采取提高耐热性的措施。

Description

涡轮机装置的优化的涡轮机级以及设计方法
技术领域
本发明涉及一种涡轮机装置的涡轮机，尤其是一种蒸汽涡轮机装置的蒸汽涡轮机。另外本发明还涉及一种设计涡轮机的方法以及一种运行配有这种涡轮机的涡轮机装置的方法。
背景技术
由于不断的努力以提高现代涡轮机装置的效率，尤其是提高现代蒸汽涡轮机装的效率，提高涡轮机装置的过程温度是值得追求的。过程温度的提高一方面尤其是影响到涡轮机装置的高压涡轮机，另一方面又影响到涡轮机装置的中压涡轮机。由此涡轮机装置被加载更高的温度。这就导致了如今即使在蒸汽涡轮机中也已经达到了不能在没有温度降低措施的情况下使用传统的尤其用于涡轮机叶片组、流动通道壁以及涡轮机轴的材料的温度了。
这样的温度降低措施例如可以是借助冷却液冷却涡轮机的叶片。燃气涡轮机中叶片的冷却长久以来已经众所周知。但是对此一方面要以合适的方式提供冷却液，不管是通过外部的提供或者通过从涡轮机装置的压缩机级中的其中一级抽取出来。这就导致了涡轮机装置的总效率降低。同样在通过冷却液流入到涡轮机的主流中来对叶片进行薄膜冷却或者扩散式冷却的情况下也会造成空气动力学的损失。
作为替代方案，叶片和一部分涡轮机轴可以使用高耐热性的材料来制造，但这样一来涡轮机的生产非常昂贵。
除了提高过程温度外，主要还要力求提高过程压力。通过提高过程参数，尤其是在高压涡轮机的第一涡轮机级内部会出现流过涡轮机的流体、通常是空气或者说燃气涡轮机里的废气或者蒸汽涡轮机里的蒸汽的只是相对较小的体积流量。
小的体积流量又以在小的叶片长宽比情况下的涡轮叶片的小的叶片高度为前提条件。因此要将这样的涡轮机叶片组以高空气动力学效率进行设计常常是很难的。
发明内容
本发明设法解决这一问题。因此本发明的任务是说明一种开头所述类型的涡轮机和一种设计涡轮机的方法。通过这种涡轮机和方法减少或者避免现有技术的缺点。
本发明尤其有助于提高涡轮机装置的涡轮机的效率，尤其是提高蒸汽涡轮机装置的蒸汽涡轮机的效率。根据另一方面，通过本发明提供了一种生产成本低且效率得到优化的涡轮机，该涡轮机可以加载高的入口温度。
这一任务按本发明将通过按本发明的涡轮机以及通过按本发明的涡轮机装置、通过按本发明的用于设计涡轮机的方法以及通过按本发明的用于运行按本发明构造的涡轮机装置的方法来解决。按本发明的涡轮机具有至少一个带有径向的或者对角线的入口和轴向的出口的径向的或者对角线的涡轮机级以及至少一个带有轴向的入口和轴向的出口的轴向涡轮机级，其中每个涡轮机级包括至少一个叶轮，并且所述至少一个径向的或者对角线的涡轮机级设置为涡轮机的第一级，并且所述在径向的或者对角线的涡轮机级的下游的至少一个轴向涡轮机级设置为涡轮机的其它级，其特征在于，所述至少一个径向的或者对角线的涡轮机级具有比所述至少一个轴向涡轮机级更高的耐热性，其中流体在径向的或者对角线的涡轮机级的入口和径向的或者对角线的涡轮机级的出口之间的温度下降值至少为50℃。按本发明的涡轮机装置具有燃烧室或者蒸汽发生器和按本发明的涡轮机，其中该涡轮机直接设置在燃烧室或者蒸汽发生器的下游。用于设计按本发明的涡轮机的方法包括，将至少一个轴向涡轮机级设置在径向的或者对角线的涡轮机级下游，并且径向的或者对角线的涡轮机级具有比所述至少一个轴向涡轮机级更高的耐热性，其中选择流体在径向的或者对角线的涡轮机级的入口和径向的或者对角线的涡轮机级的出口之间的温度下降值，即该温度下降值至少为50℃。在用于运行按本发明的涡轮机装置的方法中，给燃烧室或者蒸汽发生器中的流体输入热量，并且由此将流体加热到高于涡轮机的轴向涡轮机级的材料的最大允许软化温度的温度，接下来将在涡轮机的径向的或者对角线的涡轮机级中的流体在输出机械功的情况下如此进行卸压，使得流体在径向的或者对角线的涡轮机级的出口处的温度等于或小于涡轮机的轴向涡轮机级的材料的软化温度。
按本发明构造的涡轮机包括至少一个径向的或者对角线的涡轮机级，该涡轮机级具有一个径向或者说对角线的入口和一个轴向的出口。轴向的出口也可以理解为这样的出口，其中在从有关涡轮机级的叶轮中出来时的流动在流入后面的涡轮机级中前还具有对角线的流动方向，但在该对角线的流动方向中流动从流动通道转向轴向方向。另外按本发明构造的涡轮机包括至少一个轴向涡轮机级，该轴线涡轮机级具有一个轴向的入口和一个轴向的出口。
每个涡轮机级包括至少一个叶轮。通常一个涡轮机级包括一个导轮和一个在流动方向上后置于导轮的叶轮。
在本发明的框架中，入口方向和出口方向也可以与径向或者说对角线的和轴向的方向偏离一个容差角度。但其中主要的流动方向还是要保持。
所述至少一个径向的或者对角线的涡轮机级是作为涡轮机的第一级设置的，并且所述至少一个轴向涡轮机级在所述至少一个径向的或者对角线的涡轮机级下游是作为涡轮机的其它级设置的。其中所述至少一个径向的或者对角线的涡轮机级如此构造，使得它比所述至少一个轴向涡轮机级具有更高的耐热性。
按本发明的涡轮机优选为高压涡轮机，该高压涡轮机在涡轮机装置中直接设置在涡轮机装置的燃烧室或者蒸汽发生器的下游。但按本发明构造的涡轮机也可以是中压涡轮机或者低压涡轮机，其中在中压涡轮机或者低压涡轮机的上游常常会设置一个中间过热器。在按本发明构造的涡轮机下游还可以设置一个或多个其它的以常规方式构造的涡轮机。
由于作为涡轮机的第一级构造的径向的或者对角线的涡轮机级比所述至少一个轴向涡轮机级具有更高的耐热性，在涡轮机装置额定工作状态时涡轮机入口处的最大过程温度可以比在轴向涡轮机级构成入口涡轮机级的情况下的过程温度更高。按本发明构造的涡轮机的径向或者对角线的涡轮机级可以实现高热函量，结果是，径向的或者对角线的涡轮机级的出口处的流体温度明显低于径向的或者对角线的涡轮机级的入口处的流体温度。因此只要借助一个径向的或者对角线的涡轮机级就能将流体的温度降低到这种程度，即在径向的或者对角线的涡轮机级的下游不必采取措施以提高涡轮机部件的耐热性，尤其叶片的耐热性，以便保证不超过后面的涡轮机级部件的最大允许材料温度。这种措施例如可以是使用高耐热性材料制造有关部件或者借助于冷却液来冷却相应涡轮机级的部件。通过设置径向的或者对角线的涡轮机级作为涡轮机的第一级只需为径向的或者对角线的涡轮机级采取一项或多项措施，以提高耐热性。
如果与此相反涡轮机按传统的设计方案只包括轴向涡轮机级，那么这里就要求有多个轴向涡轮机级，以便带来相同的热函量并由此实现相同的温度降低，就如在只有一个径向的或对角线的涡轮机级时一样。因此也要对多个轴向涡轮机级采取适当的措施，以提高这个轴向涡轮机级的耐热性，并由此防止超过最大允许材料温度。因此只包括轴向涡轮机级的涡轮机在使用高耐热性材料时生产成本要高很多。如果借助于冷却液冷却有关的部件，那么一方面要在部件中设置冷却通道，另一方面涡轮机的效率由此会降低。
特别在蒸汽涡轮机中，第一涡轮机级构造为径向的或者对角线的涡轮机级出于以下原因也证明是有利的。不断升高的过程压力导致流体的体积流量小。但在体积流量小时，适宜于这种小的体积流量的径向的或者对角线的涡轮机级的效率是可以与适宜于这种小体积流量的轴向涡轮机级的效率相比的。在总效率对比中，按本发明设计的涡轮机常常与只包括轴向涡轮机级的涡轮机一样好，或者甚至更好。
在流体的入口温度特别高时，也可以在涡轮机的入口处串联两个或者可能的话甚至更多的径向的或者对角线的涡轮机级，这也是合适的。但多个径向的或者对角线的涡轮机级又会导致生产成本提高。因此流动线路设计的成本也会变高，因此只有一个径向的或者对角线的涡轮机级的解决方案是优选的。原则上来说，在入口温度很高时相对于对角线的涡轮机级更优选使用径向涡轮机级，因为径向涡轮机级相对于对角线的涡轮机级来说还能实现更高的能量转换。
尤其有利的是按本发明构造的涡轮机包括正好一个径向的或者对角线的涡轮机级以及至少一个轴向涡轮机级。
即使是在本发明的描述的框架下只将涡轮机级作为一个整体简单地加以说明，主要也只有那些直接承受高温流体的涡轮机级的部件受到流体的高温影响。尤其是涡轮机级的叶片以及流动通道的侧壁，也就是说轮毂和壳壁也常常受到影响。因此提高耐热性的措施也主要应该运用到涡轮机级的这些部件上。但是这里要注意，由于导热性，那些没有承受高温流体的部件也可能达到很高的温度，因此对这些部件也必须采取提高耐热性的措施。
原则上本发明可以普遍应用于涡轮机和涡轮机装置。但是本发明尤其适合应用于蒸汽涡轮机装置的蒸汽涡轮机。蒸汽涡轮机装置通常具有大尺寸，这样一来在传统的蒸汽涡轮机的实施方式中需要明显更多高耐热因此也就很昂贵的材料，因为多个轴向涡轮机级必须用这种材料生产。另一方面，过去的蒸汽涡轮机通常是这样设计和运行的，即只出现相对来说较低的最大过程温度，但同时流体的体积流量很大。由于体积流量大，采用径向的或者对角线的涡轮机级或者径向的或者对角线的涡轮机也就没有意义了。只有通过将过程温度和过程压力的提高以及由此引起的体积流量的减小结合起来，在蒸汽涡轮机中使用径向的或者对角线的涡轮机级才可能是有意义的，并且能提高总效率和/或者降低生产成本以及使蒸汽涡轮机装置尺寸紧凑。
径向的或者对角线的涡轮机级最好由第一种材料生产，并且所述至少一个轴向涡轮机级由第二种材料生产，这样是合适的。第一种材料比第二种材料具有更高的耐热性。这样径向的或者对角线的涡轮机级比如就可以用一种高耐热的镍基合金来生产，而所述至少一个轴向涡轮机级就可以比如用一种普通的廉价的铸钢或者耐热性较低的镍-铬-钢来生产。但是如上面已经提出的那样，这里要注意，不是涡轮机级的所有的部件都必须用高耐热的材料来生产。因此只要那些直接承受高温流体的部件用高耐热的材料生产就足够了，例如涡轮机级的叶片和轴。
在本发明的一种作为替代方案或者补充方案的改进方案中，径向的或者对角线的涡轮机级优选设有一层高耐热材料的涂层，例如镍基合金。但是这里必须保证，设置在涂层下面的耐热性较低的基材不会因为导热性而变得过热。必要时需要附加地借助于冷却对该材料进行冷却。
作为替代方案或者补充方案，径向的或者对角线的涡轮机级用一种陶瓷材料来生产或者具有一层用陶瓷材料制成的涂层是合适的。使用陶瓷材料的好处是，部件不仅具有更高的耐热性，而且用陶瓷制成的或者具有陶瓷涂层的部件还能隔热，由此例如通过叶片根部传向轴上的热量减少。
所述至少一个轴向涡轮机级可以用一种普通的没有涂层的涡轮机材料来生产。
在本发明的一种作为替代方案或者补充方案的改进方案中，将径向的或者对角线的涡轮机级冷却。所述至少一个轴向涡轮机级在这里优选为不冷却。
在本发明一种有利的改进方案中，涡轮机的径向的或者对角线的涡轮机级的级负荷这样来选择，即在涡轮机的额定工作状态时，径向的或者对角线的涡轮机级的入口处的流体具有高于轴向涡轮机级的材料的最大允许软化温度的温度，并且在径向的或者对角线的涡轮机级的出口处具有等于或低于轴向涡轮机级的材料的最大允许软化温度的温度。反过来的意思是说，涡轮机装置的最大过程温度可以升高到一个最大值，在该最大值时上述条件正好能满足。因此提高耐热性的措施只限制于径向的或者对角线的涡轮机级。
因此通过按本发明在涡轮机入口处设置一个或多个径向的或者对角线的涡轮机级以成本低廉的方式大大提高涡轮机装置的最大过程温度。从经济角度来看，这里的可以实现的涡轮机装置的效率的提高只在相对来说低廉的提高径向的或者对角线的涡轮机级的耐热性的措施的基础上。
径向的或者对角线的涡轮机级的平均出口直径等于在径向的或者对角线的涡轮机级后面的轴向涡轮机级的平均进口直径，这样设计涡轮机是合适的。这样一来在径向的或者对角线的涡轮机级和轴向涡轮机级之间的流动通道就能构造成直线形的。
在本发明的一种有利的设计方案中，所述径向的或者对角线的涡轮机级和所述至少一个轴向涡轮机级设置在一个共同的轴上。但是将涡轮机级这样设置在共同的轴上只有在涡轮机级可以普遍以相同的转速运行时才可能。
在本发明的一种作为替代方案的实施方式中，所述径向的或者对角线的涡轮机级设置在第一轴上，所述至少一个轴向涡轮机级设置在第二轴上，其中两个轴通过传动机构、优选通过行星齿轮传动机构相互连接在一起。虽然这样设置两个轴相比只设置一个轴成本要高；但是这样可以实现涡轮机级的不同转速。
此外所述径向的或者对角线的涡轮机级和所述至少一个轴向涡轮机级优选设置在一个共同的壳体里。
在另一方面，本发明提供了一种设计涡轮机的方法。按本发明的方法包括这些方法步骤，将至少一个轴向涡轮机级设置在径向的或者对角线的涡轮机级下游，并且所述径向的或者对角线的涡轮机级具有比所述至少一个轴向涡轮机级更高的耐热性。按本发明的方法尤其适合设计上述的按本发明的涡轮机。
根据本方法的一种有利的改进方案，涡轮机的径向的或者对角线的涡轮机级的级负荷这样来选择，即在涡轮机的额定工作状态时，径向的或者对角线的涡轮机级的入口处的流体具有高于轴向涡轮机级的材料的最大允许软化温度的温度，并且在径向的或者对角线的涡轮机级的出口处具有等于或低于涡轮机的轴向涡轮机级的材料的最大允许软化温度的温度。
在另一方面，本发明提供了一种运行涡轮机装置的方法，其中涡轮机装置包括一个蒸汽发生器和一个设置在该蒸汽发生器下游的按本发明构造的涡轮机，并给燃烧室或者蒸汽发生器里的流体输入热量。这样流体就被加热到高于涡轮机的轴向涡轮机级的材料的最大允许软化温度的温度。接着流体在涡轮机的径向的或者对角线的涡轮机级里降压，从而在径向的或者对角线的涡轮机级的出口处的流体温度等于或低于涡轮机的轴向涡轮机级的材料的最大允许软化温度。
附图说明
以下借助附图中示出的多种实施例对本发明作进一步的解释。其中：
图1是现有技术中熟知的蒸汽涡轮机装置的高压涡轮机；
图2是按本发明的第一种实施方式的涡轮机；
图3是按本发明的第二种实施方式的涡轮机。
图中只示出了对理解本发明重要的元件和部件。
所示出的实施例纯粹是启发性的，并且用于更好地进行理解，但不应该理解为对本发明的限制。
具体实施方式
图1示出了现有技术中熟知的蒸汽涡轮机装置的构造为高压涡轮机的涡轮机10。这里的流体为水蒸汽。从蒸汽发生器(图1中未示出)中出来的蒸汽通过新蒸汽接管31径向输入涡轮机10。在新蒸汽接管31的径向流入区段中具有用于蒸汽流的整流和/或者产生预旋转的第一导轮20LE。接着蒸汽流就在转向区段(在流动箭头36的区域内)从径向流动方向(流动箭头35的方向)转向成轴向流动方向(流动箭头37的方向)。在成功转向成轴向流动方向后，蒸汽流才流过涡轮机10的第一涡轮机级的叶轮20LA以及连接在其上的设置在第一涡轮机级下游的其它轴向涡轮机级21-28。除了第一涡轮机级20(＝20LE+20LA)以外，所有的涡轮机级21-28都是纯粹的轴向涡轮机级。第一涡轮机级20在这里是组合的径向-轴向涡轮机级，其中导轮20LE设置在新蒸汽接管31的径向流入区段中，叶轮20LA设置在构造为高压涡轮机的涡轮机10的轴向通流区段中。这样能量转换只在纯粹的轴向通流区段中进行。能量转换的高度由于在轴向通流的叶轮里的最大可实现的流动转向受到与在轴向涡轮机级里同样尺度的限制。
如果输入蒸汽涡轮机的蒸汽现在具有较高的或者很高的入口温度，该温度高于通常用于叶轮和导轮的叶片组的材料例如铸钢的允许软化温度，那么涡轮机的特定涡轮机级的至少构成流动通道和/或者设置在流动通道里的部件必须或者由高耐热性的材料制成，或者以适当的方式冷却，其中在这些特定涡轮机级的区域里蒸汽具有高于软化温度的温度。在图1中示出的实施例中涉及到的是前三个涡轮机级20、21和22。其中这前三个涡轮机级的叶片和流动通道的通道侧壁都由高耐热性的材料制成。用40标出了高温区域界限，在该高温区域界线上游必须采取提高耐热性的措施。这很多情况下，由于这一区域中的导热性，轴也需用高耐热性的材料制成。在涡轮机10的额定工作状态下，蒸汽在第三涡轮机级22下游才具有比通常用于涡轮机部件的材料的软化温度低的温度。通过使用高耐热性材料制造前三个涡轮机级20、21和22使得这种蒸汽涡轮机的生产成本显著提高。
现在开始说明本发明。图2和图3示出的是按本发明的构造为蒸汽涡轮机的涡轮机100。在这两种实施例中，示出的涡轮机都分别具有正好一个有着径向入口(流动箭头135的方向)和轴向出口(流动箭头137的方向)的径向涡轮机级120以及多个分别具有轴向入口和轴向出口的轴向涡轮机级121-125。构造为涡轮机的第一级的径向涡轮机级120直接与新蒸汽接管131的径向走向的部分相连。在这两种实施例中，轴向涡轮机级121-125都紧接在径向涡轮机级120的下游设置。
为装入很高温度的蒸汽，在图2和图3中示出的径向涡轮机级120中分别构造得具有比轴向涡轮机级121-125更高的耐热性。这可以例如通过以下方式来实现，即径向涡轮机级120分别由高耐热性的镍基合金或者陶瓷材料制造，而与此相反，轴向涡轮机级121-125则分别例如由普通的铸钢或者镍-铬-钢制造。作为使用高耐热性的材料的替代方案或者补充方案，径向涡轮机级120的叶片可以特别地或者涂上隔热涂层，或者进行冷却。
在图2和图3中示出的径向涡轮机级120基本上分别取代了图1中示出的径向-轴向涡轮机级20。但是在流过按图2和图3中的径向涡轮机级120时，蒸汽流的温度降低了这样的程度，使得后面的轴向涡轮机级121-125可以用传统的涡轮机材料制成。由于径向的和对角线的涡轮机级120比轴向涡轮机级可以承受明显更高的负荷并且实现明显更高的热函量，因此在这里示出的本发明的实施例中分别只需要一个径向涡轮机级来将温度充分降低到轴向涡轮机级121-125的材料的软化温度以下。而与此相反在图1中示出的现有技术中熟知的设计中需要三个轴向涡轮机级20、21和22来充分降低温度。因此在流体进入涡轮机的相同的条件下，在按本发明设计的涡轮机中，如图2和图3所示，只有相应的径向涡轮机级120的部件具有高耐热性。这样所涉及到的部件就比在传统设计的涡轮机中所涉及到的部件大大减少了。
因为为了实现高效率除了提高过程温度以外也要提高过程压力，所以相对来说进入涡轮机的流体的体积流量较小。但在体积流量较小时，径向的或者对角线的涡轮机级具有与轴向涡轮机级相类似的效率。因此图2和图3中示出的涡轮机可以与图1中的涡轮机的总效率相比，而生产成本却明显要低，尺寸也要更紧凑。
下面借助图2和图3中示出的涡轮机100对按本发明的涡轮机的设计方法进行说明。在两种实施例中均以在蒸汽涡轮机装置中使用的高压涡轮机的典型的几何边界条件和其它边界条件为出发点，也就是说以大约880毫米的轴直径和50赫兹的涡轮机装置额定转速为出发点。设计径向涡轮机级120的叶轮时使用现有技术中熟知的所谓的“Cordier-图表”(例如参见：Dubbel，“Taschenbuch f ür denMaschinenbau”，第18版，R22)，在该图表中，用图形方式为一级涡轮机给出了直径-特征参数δM和比转速σM之间的函数关系，其中：
Figure GSB00000262842300101
和
Figure GSB00000262842300102
其中
Figure GSB00000262842300103
和ψyM＝Δh/(um 2/2)
由此，涡轮机级的可接受的效率被保证在大约90％的等熵效率。
在两种实施例中以此为出发点，即在涡轮机的额定工作状态下，进入涡轮机的入口处的入口压力为300bar，蒸汽质量通过量为大约400kg/s。这是现代蒸汽涡轮机的典型值。
如果涡轮机入口温度为620℃，这是现代设计的超临界蒸汽涡轮机的典型值，那么当在从径向涡轮机级中出来的出口上的出口温度为565℃和更低时，在Cordier-图表的辅助下会产生以下给出的值：
Figure GSB00000262842300104
ψyM＝6.50＝＞δM≈2.9；σM≈0.14
在温度为565℃和更低时，在径向涡轮机级下游的部件不需要采取提高耐热性的措施，因为这个温度值低于一般用于制造轴向涡轮机级使用的材料的软化温度。
这样设计的径向涡轮机级120使蒸汽的压力从进入径向涡轮机级的入口处的300bar降低到流出径向涡轮机级的出口处的217bar，也就是说，压力比例大约在1.4。在从径向涡轮机级出来的出口处的温度为大约560℃。径向涡轮机级的转速为50赫兹，平均直径为DM≈1120毫米，在入口处的叶片宽度为23毫米，出口处为41毫米。
在径向涡轮机级120下游设置的第一轴向涡轮机级121导轮就可以在假定的大约0.24的流量系数的情况下以典型的轴向入口和大约60毫米的叶片高度工作。第一轴向涡轮机级121的导轮为此具有与径向涡轮机级120的叶轮的平均出口直径相等的平均入口直径。这样就能在从径向涡轮机级120到轴向涡轮机级121的过渡区域中实现直线形的流动通道。
正如在上面的实施例中说明的一样，可以这样设计径向的或者对角线的涡轮机级，使得该涡轮机级在蒸汽涡轮机的典型的额定工作状态下高效率地工作，在该额定工作状态下，蒸汽涡轮机里装有高的或者很高的入口温度的蒸汽。这样设计的涡轮机级在运行中能保证，设置在下游的轴向涡轮机级只承受普通的，大大降低的温度负荷，即使是进入径向的或者对角线的涡轮机级的入口上的入口温度明显高于轴向涡轮机级的材料的允许软化温度。
另外在图2中所示的实施例中，径向涡轮机级120可以以与轴向涡轮机级121-125同样的转速运行。因此径向涡轮机级120与轴向涡轮机级121-125如图2所示可以设置在一个共同的轴130上。也可以使用连续的共同的壳体132。
在图3中所示的实施例中，以进入构造为蒸汽涡轮机的涡轮机100的700℃的入口温度为出发点。这是极端-超临界涡轮机的典型值。从径向涡轮机级120出来的出口处的温度也要求为565℃或者更低。在Cordier-图表的辅助下，从这一要求中得出以下参数：
Figure GSB00000262842300111
ψyM＝4.0＝＞δM≈2.6；σM≈0.19
这样设计的径向涡轮机级120使蒸汽流动的压力从进入径向涡轮机级的入口处的300bar降低到从径向涡轮机级出来的出口处的145bar，也就是说，压力比例大约在2.1。从径向涡轮机级120出来的出口处的温度为大约565℃。径向涡轮机级120的转速为100赫兹，平均直径为DM≈1120毫米，在入口处的叶片宽度为13毫米，并且出口处为32毫米。
设置在径向涡轮机级120下游的第一轴向涡轮机级121导轮就可以在假定的大约为0.22的流动系数下以典型的轴向入口和大约100毫米的叶片高度工作。第一轴向涡轮机级121的导轮具有与径向涡轮机级120的叶轮的平均出口直径相等的平均入口直径。这样就能在从径向涡轮机级120到第一轴向涡轮机级121的过渡区域中实现直线形的流动通道。
但是轴向涡轮机级121-125的转速在这里只为50赫兹，而径向涡轮机级120的转速为100赫兹。
这个实施例说明，即使是在进入涡轮机的入口处的入口温度很高的情况下，也可以从蒸汽涡轮机的典型额定工作状态出发设置一个径向的或者对角线的涡轮机级作为蒸汽涡轮机的入口级。这样设计的以高效率工作的径向涡轮机级120在运行中就能保证，设置在下游的轴向涡轮机级121-125只承受明显很低的温度负荷，即使是在进入径向涡轮机级120的入口处的入口温度明显高于轴向涡轮机级121-125的材料的允许软化温度。高温区域界限140在这里在径向涡轮机级120和第一轴向涡轮机级121之间延伸，在该高温区域界线上游必须采取提高耐热性的措施。
但是在本实施例中径向涡轮机级120和轴向涡轮机级121-125是在不同的转速下运行的，所以这里不能将径向涡轮机级120和轴向涡轮机级121-125设置在共同的轴上。由于要求在径向涡轮机级中实现高的温度降或者说较高的热函量，所以径向涡轮机级120的转速要高。只有当径向涡轮机级快速转动，或者作为替代方案径向涡轮机级具有很大的直径，或者作为替代方案涡轮机级的叶片组受到很高的空气动力学负荷时才能实现温度大幅度下降或者说高热函量。后两种替代方案在这里是不合适的，因为直径很大会制约叶片宽度变得很小，叶片受到的很高的空体动力学负荷会导致较低的级效率。
因此在这里合适的是使径向涡轮机级120比轴向涡轮机级121-125转动得更快。因此径向涡轮机级120设置在一个分轴130-I上，轴向涡轮机级121-125设置在另一个分轴130-II上。这样就能将包括径向涡轮机级120的第一涡轮机区段和包括轴向涡轮机级121-125的第二涡轮机区段虽然是设置在分开的轴上，但是可以安置在一个共同的壳体132或者也可以安置在两个分开的壳体里。
图3中示出的两个分轴130-I，130-II通过一个在图3中未示出的传动机构相互连接。两个轴也可以通过行星齿轮传动机构相互连接，其中例如上面设置了径向涡轮机级120的分轴130-I在行星齿轮传动机构中包围住上面设置了轴向涡轮机级121-125的分轴130-II。
图2和图3中示出的涡轮机100可以设置为蒸汽涡轮机装置的高压涡轮机，其中在新蒸汽接管131的上游设置有一个蒸汽发生器。
但图2和图3中示出的蒸汽涡轮机也可以设置为蒸汽涡轮机装置的中压涡轮机，其中在新蒸汽接管上游常常设置一个中间过热器。
联系图2和图3描述的涡轮机和涡轮机装置以及所描述的方法展示的是本发明的示例性实施方式，这些实施方式完全可以由本领域的技术人员以多种方式毫不费力地修改，而不会由此偏离这一发明构思。
附图标记列表
10             涡轮机
20LE           径向涡轮机级的导轮
20LA           径向涡轮机级的叶轮
21-28          轴向涡轮机级
30             轴
31             新蒸汽接管
32             壳体
35，36，37     流体的流动方向
40             高温区域界限
100            涡轮机
120            径向的或者对角线的涡轮机级
121-125        轴向涡轮机级
130            共同的轴
130-I，130-II  分轴
131            新蒸汽接管
132            壳体
135，136，137  流体的流动方向
140            高温区域界限

Claims (25)

1.涡轮机装置的涡轮机(100)，其具有至少一个带有径向的或者对角线的入口和轴向的出口的径向的或者对角线的涡轮机级(120)以及至少一个带有轴向的入口和轴向的出口的轴向涡轮机级(121-125)，其中每个涡轮机级包括至少一个叶轮，并且所述至少一个径向的或者对角线的涡轮机级(120)设置为涡轮机的第一级，并且所述在径向的或者对角线的涡轮机级(120)的下游的至少一个轴向涡轮机级(121-125)设置为涡轮机的其它级，其特征在于，所述至少一个径向的或者对角线的涡轮机级(120)具有比所述至少一个轴向涡轮机级(121-125)更高的耐热性，其中流体在径向的或者对角线的涡轮机级的入口和径向的或者对角线的涡轮机级的出口之间的温度下降值至少为50℃。
2.按权利要求1所述的涡轮机，其中所述温度下降值大于60℃。
3.按权利要求2所述的涡轮机，其中所述温度下降值大于120℃。
4.按权利要求1所述的涡轮机，其中所述涡轮机包括正好一个径向的或者对角线的涡轮机级(120)以及至少一个轴向涡轮机级(121-125)。
5.按权利要求1所述的涡轮机，其中所述径向的或者对角线的涡轮机级(120)由第一种材料制成，并且所述至少一个轴向涡轮机级(121-125)由第二种材料制成，其中第一种材料比第二种材料具有更高的耐热性。
6.按权利要求1所述的涡轮机，其中所述径向的或者对角线的涡轮机级(120)涂有用耐热性的材料制成的涂层。
7.按权利要求1所述的涡轮机，其中所述径向的或者对角线的涡轮机级(120)用高耐热性的镍基合金制成或者涂有用高耐热性的镍基合金制成的涂层。
8.按权利要求1所述的涡轮机，其中所述径向的或者对角线的涡轮机级(120)用陶瓷材料制成或者涂有用陶瓷材料制成的涂层。
9.按权利要求1所述的涡轮机，其中所述至少一个轴向涡轮机级(121-125)用普通的涡轮机材料制成，没有涂层。
10.按权利要求1所述的涡轮机，其中将所述径向的或者对角线的涡轮机级(120)冷却。
11.按权利要求10所述的涡轮机，其中所述至少一个轴向涡轮机级(121-125)不冷却。
12.按权利要求1所述的涡轮机，其中选择所述涡轮机的径向的或者对角线的涡轮机级(120)的级负荷，即在涡轮机(100)的额定工作状态时，径向的或者对角线的涡轮机级(120)的入口处的流体具有高于轴向涡轮机级的材料的最大允许软化温度的温度，并且径向的或者对角线的涡轮机级(120)的出口处的流体具有等于或低于轴向涡轮机级的材料的最大允许软化温度的温度。
13.按权利要求1所述的涡轮机，其中所述径向的或者对角线的涡轮机级的平均出口直径与设置在径向的或者对角线的涡轮机级后面的轴向涡轮机级的平均入口直径相同。
14.按权利要求1所述的涡轮机，其中所述径向的或者对角线的涡轮机级(120)和所述至少一个轴向涡轮机级(121-125)设置在同一个轴(130)上。
15.按权利要求1所述的涡轮机，其中所述径向的或者对角线的涡轮机级(120)设置在第一轴(130-I)上，所述至少一个轴向涡轮机级(121-125)设置在第二轴(130-II)上，并且所述轴通过传动机构相互连接起来。
16.按权利要求15所述的涡轮机，其中所述轴通过行星齿轮传动机构相互连接起来。
17.按权利要求1所述的涡轮机，其中所述径向的或者对角线的涡轮机级(120)和所述至少一个轴向涡轮机级(121-125)设置在同一个壳体(132)里。
18.按权利要求1所述的涡轮机，其中所述涡轮机是蒸汽涡轮机装置的蒸汽涡轮机。
19.涡轮机装置，其具有燃烧室或者蒸汽发生器和按上述权利要求中任一项所述的涡轮机，其中该涡轮机直接设置在燃烧室或者蒸汽发生器的下游。
20.按权利要求19所述的涡轮机装置，其中所述轮机装置是蒸汽涡轮机装置。
21.用于设计按权利要求1至18中任一项所述的涡轮机的方法，该方法包括，将至少一个轴向涡轮机级设置在径向的或者对角线的涡轮机级下游，并且径向的或者对角线的涡轮机级具有比所述至少一个轴向涡轮机级更高的耐热性，其中选择流体在径向的或者对角线的涡轮机级的入口和径向的或者对角线的涡轮机级的出口之间的温度下降值，即该温度下降值至少为50℃。
22.按权利要求21所述的方法，其中所述温度下降值大于60℃。
23.按权利要求22所述的方法，其中所述温度下降值大于120℃。
24.按权利要求21所述的方法，其中选择所述涡轮机的径向的或者对角线的涡轮机级的级负荷，即在涡轮机的额定工作状态时，径向的或者对角线的涡轮机级的入口处的流体具有高于轴向涡轮机级的材料的最大允许软化温度的温度，并且在径向的或者对角线的涡轮机级的出口处的流体具有等于或低于涡轮机的轴向涡轮机级的材料的最大允许软化温度的温度。
25.用于运行按权利要求19所述的涡轮机装置的方法，其中给燃烧室或者蒸汽发生器中的流体输入热量，并且由此将流体加热到高于涡轮机的轴向涡轮机级的材料的最大允许软化温度的温度，接下来将在涡轮机的径向的或者对角线的涡轮机级中的流体在输出机械功的情况下如此进行卸压，使得流体在径向的或者对角线的涡轮机级的出口处的温度等于或小于涡轮机的轴向涡轮机级的材料的软化温度。
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