CN102042038A - 高温径向供给轴向蒸汽涡轮 - Google Patents

高温径向供给轴向蒸汽涡轮 Download PDF

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Abstract

本发明涉及高温径向供给轴向蒸汽涡轮(1)，其具有冷进口导管(40)，该冷进口导管从热进口导管(30)轴向移位，使得它比热进口导管(30)更远离第一叶片排(5)。冷进口导管(40)从冷进口螺旋(46)接收冷蒸汽(45)并且以如下方式将它引入热进口导管(30)，即使得冷蒸汽(45)的边界层形成在转子周向表面(6)上方、在冷进口导管(40)的出口端(42)与叶片和导叶排(25)之间。转子周向表面(6)还适合于促进和维持边界层。因此，可降低转子(5)所暴露于的最高温度。

Description

高温径向供给轴向蒸汽涡轮
技术领域
本公开大体涉及高温径向供给轴向蒸汽涡轮。更具体地，本公开涉及由高温蒸汽引起的转子的热应力。
整个本说明书中关于蒸汽和蒸汽涡轮的“高温”限定为650℃或更高的温度。
背景技术
由于对改进蒸汽涡轮装置的效率的持续努力，可希望在高温下操作涡轮。然而，传统材料在高于650℃以及最特殊地高于700℃表现出较差性能。为此，涡轮部分诸如转子、罩壳以及叶片典型地由更加昂贵的稀有合金制成。美国专利申请2004/0253102A1描述一个这种合金的例子。然而，由于成本原因，可有益地通过传统材料至少部分地制造任何构件，该优点对于诸如转子的较大构件以及诸如叶片的复杂构件尤其显著。
解决方案是使构件部分对高温的暴露最小化。例如，美国专利申请US2007/0207032A1描述一种布置，其提供横跨第一级的较大温度下降并且因此仅仅第一级以及该级上游的任何转子构件暴露于高温。
另一个解决方案是提供冷却介质到高温区域。然而，可能在技术上难以提供足够的冷却到较大涡轮构件诸如转子。
发明内容
提供具有以下特征的高温径向供给轴向蒸汽涡轮，该特征在一方面中涉及在供给流穿过第一叶片排并且热能被移除之前解决区域中蒸汽涡轮的转子的热应力的问题。
本发明通过独立权利要求的主题解决该问题。在从属权利要求中给出有利的实施例。
一方面提供高温径向供给轴向蒸汽涡轮，其包括转子、罩壳、轴向移位的叶片和导叶排以及热进口导管。转子是可旋转的并且具有在轴向方向上延伸的表面。罩壳包围转子以在转子和罩壳之间形成环形空间，叶片和导叶排安装在环形空间中。用于接收热蒸汽的热进口导管在转子的部分上方轴向延伸到在叶片和导叶排上游并且紧接地(immediate)邻近叶片和导叶排的出口端。热进口导管的目的是将热蒸汽引到叶片和导叶排。蒸汽涡轮还包括冷进口导管，其连接到冷进口螺旋(spiral)的下游端并且从热进口导管轴向移位，使得热进口导管比冷进口导管更靠近第一叶片轴向定位。冷进口螺旋适合于接收比热蒸汽更冷的冷蒸汽。冷进口导管具有进口端和在转子与热进口导管出口端之间形成的出口端。在出口端的区域中，冷进口导管平行于转子周向表面。因此，冷蒸汽可在转子周向表面的部分上方通过同时从冷进口导管的出口端穿过热进口导管到叶片和导叶排。
在热进口导管中在转子周向表面的部分上方冷蒸汽的提供确保转子不暴露于热蒸汽温度，因此使转子能够由具有更低热强度的材料制成。
在另一方面中，通过提供紧凑设计，冷进口导管因此在径向方向上平行于热进口导管。
在又一方面中，蒸汽涡轮包括围绕转子轴线周向延伸的热进口螺旋。该热进口螺旋连接到热进口导管的进口端。
在又一方面中，蒸汽涡轮还包括热进口管道和冷进口管道。热进口管道连接到热进口螺旋，因此使热蒸汽的流能够顺序地穿过热进口管道、热进口螺旋以及热进口导管至散置的叶片和导叶。同时，冷进口管道连接到冷进口螺旋，因此使冷蒸汽的流能够顺序地穿过冷进口管道、冷进口螺旋以及冷进口导管至热进口导管。在一个布置中冷进口管道平行于热进口管道，而在另一个布置中冷进口管道在径向方向上与热进口管道成至少90°的角度。在另外布置中，它以提供紧凑设计的任何合适角度进行布置。这些布置分别在轴向蒸汽涡轮长度和/或阀配置方面提供优点。
在又一方面中，蒸汽涡轮包括多个热进口管道和多个冷进口管道。
另一个方面是克服或至少改善现有技术的缺点和不足或者提供有用的替代。
本发明的其它方面和优点将通过连同附图进行的以下描述变得显而易见，其中，通过示图和示例公开本发明的实施例。
附图说明
通过示例，参考附图在下文中更完整地描述本公开的实施例，在附图中：
图1是根据示例性实施例的径向供给轴向蒸汽涡轮的截面图；
图2是根据另一个示例性实施例的径向供给轴向蒸汽涡轮的截面图；
图3是示出进口管道的示例性布置的穿过图1的III-III的截面图；以及
图4是示出进口管道的另一个示例性布置的穿过图1的III-III的截面图。
部件列表
1     径向供给轴向蒸汽涡轮
5     转子
6     周向表面
8     活塞区域
10    罩壳
25    叶片和导叶排
30    热进口导管
31    进口端
32    出口端
35    热蒸汽
36    热进口螺旋
37    热进口管道
40    冷进口导管
41    进口端
42    出口端
45    冷蒸汽
46    冷进口螺旋
47    冷进口管道
48    径向分段
49    轴向分段
AD    轴向方向
RD    径向方向
具体实施方式
现在参考附图描述本公开的优选实施例，在整个附图中相同的附图标记用于指示相同的元件。在以下的描述中，为了解释，提出大量详尽的细节以便提供本公开的完全理解。然而，可能明显的是，可在没有这些详尽的细节的情况下实践本公开。
在本说明书中，名称冷和热提供相对参考而在没有特别规定的情况下不意味任何特殊温度或特征。因此，在没有这种规定的情况下，例如热蒸汽35是具有比冷蒸汽45更高温度的蒸汽。关于蒸汽，该相对差别因此还提供，当冷蒸汽45引入到原本可暴露于热蒸汽35的区域时，冷蒸汽45具有冷却介质的功能。
图1和图2示出径向供给轴向蒸汽涡轮1。涡轮1具有带有在轴向方向AD上延伸的旋转轴线的转子5。包围转子5的是罩壳10，其构造成提供散置的叶片和导叶排25的轴向系列定位在其中的外壳。涡轮还具有热进口螺旋36，其围绕转子轴线周向延伸并且连接到将热蒸汽35引到叶片和导叶排25的热进口导管30。
热进口螺旋36周向地分配热蒸汽35到在热进口螺旋36的下游端处的热进口导管30的径向进口31。热进口导管30还外接于(circumscribe)转子5并且因此确保热蒸汽35的均匀周向分配。在径向进入热进口导管30之后，热蒸汽35由热进口导管30重新引到轴向出口端32，其在叶片和导叶排25的紧接上游和附近处终止，使得来自热进口导管30的热蒸汽35直接流入叶片和导叶排25。
图1和图2的示例性实施例还示出用于冷蒸汽45的冷进口螺旋46。冷进口螺旋46也围绕转子轴线周向延伸并且与热进口螺旋36同心但是在热进口螺旋36的上游轴向移位。冷进口螺旋46的下游端连接到冷进口导管40的进口端41，冷进口导管40构造成将冷蒸汽45从冷进口螺旋46穿过出口端42引入热进口导管30。在示例性实施例中，进口端41是径向进口端41。通过外接于转子5，冷进口导管40构造成周向地提供冷蒸汽45至热进口导管30内。类似于冷进口螺旋46，冷进口导管40在热进口导管30的上游轴向移位。如图1所示，在示例性实施例中，这造成热进口导管30比冷进口导管40更靠近叶片和导叶排25定位。在另一个示例性实施例中，冷进口导管40还定位在转子5的活塞区域8与热进口导管30之间，也如图1所示。
在图1和图2所示的示例性实施例中，热进口螺旋36和导管30与冷进口螺旋46和导管40的相对位置确保蒸汽涡轮1的长度最小化。具有冷进口螺旋46的另外的优点是均匀周向分配它所提供的冷蒸汽45。这使得能够最佳地使用冷蒸汽45。
如图1和图2所示，进口螺旋36和46是典型的蒸汽涡轮进口螺旋，这是因为它们构造成使用已知方法周向地围绕转子轴线从分离的进口均匀分配流量。如图3和图4所示，当它们远离它们可具有的该分离进口或每个分离进口延伸时，这通过螺旋的截面面积在流动方向上减少而实现。
冷进口导管40的目的是在转子周向表面6上方、在冷进口导管40的离开口与叶片和导叶排25之间提供冷蒸汽45的边界层。这确保在这个区域的转子分段不暴露于热蒸汽35并且因此可由具有更低热强度的材料制成。
为了提供足够的边界层，必须提供横跨转子周向表面6的足够的冷蒸汽45。这需要正确确定冷进口导管40的尺寸。如果它太小，则冷蒸汽45流动速率将不足以提供必要的边界层。如果冷进口导管40的尺寸太大，则涡轮效率将受到不利影响。在一个示例性实施例中，使用已知设计技术，冷进口导管40在尺寸方面构造成提供总涡轮供给的5-12％穿过冷进口导管40。根据涡轮构造和尺寸，其它流动速率可提供最佳值。然而，在每个情况中，为了实现最小的所需要的冷却蒸汽45流动速率并且确保所需要的流量分配，冷却蒸汽45必须从进口螺旋供给。
另一个重要因素是冷进口导管40的出口端42的形状。除了外接于转子5以便提供围绕转子5的全部圆周的冷蒸汽45，出口端42成形为确保冷蒸汽45在转子5上方形成边界层。这可通过许多已知的构造实现，其中一个这种布置在图1中示出。图1示出冷进口导管40，其构造成提供横跨转子的周向表面6、穿过冷进口导管40的出口端42的构造和布置的蒸汽45的边界层。这将出口端42构造成具有壁，其具有直侧并且在另一个示例性实施例中基本平行于转子周向表面6同时没有诸如密封元件的突出部。在一个示例性实施例中，转子周向表面6适合于通过例如包括没有边缘的平坦表面维持边界层。本文中平坦不是绝对的而用来表示没有严重的表面畸变的表面。如图1所示，平坦表面也可包括平坦曲线，其使用已知方法构造成使紊流和边界层分离最小化。其它构造也是可能的。例如，在空气动力学的领域中，已知许多其它表面布置，包括那些具有粗糙表面和边缘的布置，用于促进和维持边界层形成。任何这些已知构造也可应用于示例性实施例，只要它们符合在转子周向表面6上方、在冷进口导管40的离开口与叶片和导叶排25之间促进和维持冷蒸汽45的边界层的标准。
如图1和图2所示，冷进口导管40的出口端42可以以不同的轴向方位和径向方位进行定位。在图1所示的示例性实施例中，冷进口导管40构造成仅在径向方向引导流并且以径向面对的出口端42终止。该布置是具有活塞区域8的蒸汽涡轮的典型并且使冷进口导管40分段能够铸造成单块。也就是说，冷进口导管40的出口端42的端部不在活塞区域8上方延伸。
在图2所示的示例性实施例中，冷进口导管40构造成改变冷蒸汽45流动方向从径向方向到轴向方向。因此，冷进口导管40构造成具有径向分段48和轴向分段49。为了不对转子周向表面6上方的边界层的形成造成不利影响，冷进口导管40具有平坦过渡曲线。
图1和图2所示的示例性实施例可合适地与具有高于650℃例如700℃的温度的热蒸汽35以及具有低于650℃典型地600℃的温度的冷蒸汽45一起使用。典型地选择冷蒸汽45的温度以使在转子5中能够使用更少的稀有合金以便提供成本优点。
如图3和图4所示，在示例性实施例中，热进口管道37连接到热进口螺旋36。因此，热蒸汽35可以顺序地流过热进口管道37、热进口螺旋36以及热进口导管30至叶片和导叶排25。在类似布置中，冷进口管道47连接到冷进口螺旋46，因此使得冷蒸汽45能够顺序地流过冷进口管道47、冷进口螺旋46以及冷进口导管40至热进口导管30。
在图3和图4所示的示例性实施例中，示出多个冷进口管道和多个热进口管道。它们可布置成使得冷进口管道47和热进口管道37平行，如图4所示，以提供需要最小化轴向涡轮长度的布置。
如图3所示，在可选示例性实施例中，多个冷进口管道47在径向方向上相对多个热进口管道37以大约90°的角度进行布置。在仅包括一个热进口管道37和一个冷进口管道47的未示出的示例性实施例中，进口管道37、47在径向方向上彼此成至少大约90°的角度。这些布置为典型的未示出的进口管道阀设备提供附加空间，该设备典型地装配在蒸汽涡轮罩壳10的外部。
尽管在本文中本公开以设想为最实用的示例性实施例被示出和描述，但是本领域技术人员将理解的是，本发明可以以其它的具体形式实现。例如尽管提供单流蒸汽涡轮的示例性实施例，但是实施例也可应用于双流蒸汽涡轮。因此，现在公开的实施例在所有方面被认为是示例性的而不是限制性的。

Claims (14)

1.一种高温径向供给轴向蒸汽涡轮(1)，包括：
可旋转的转子(5)，其具有旋转轴线和周向表面(6)；
罩壳(10)，其包围所述转子(5)以便形成在所述转子(5)和所述罩壳(10)之间的环形空间；
轴向分布的叶片和导叶排(25)，其安装在所述转子(5)上的所述环形空间中；和
用于热蒸汽(35)的热进口导管(30)，其围绕所述转子轴线周向延伸并且具有：
径向进口端(31)，其外接于所述转子(5)；和
轴向出口端(32)，其外接于所述转子(5)并且轴向地连接到
所述叶片和导叶排(25)的紧接上游的所述环形空间，
所述蒸汽涡轮(1)特征在于：
用于接收冷蒸汽(45)的冷进口螺旋(46)，其围绕所述转子轴线周向延伸并且适合于周向地分配所述冷蒸汽(45)，
用于冷蒸汽(45)的冷进口导管(40)，其在进口端(41)连接到所述冷进口螺旋(46)的下游端并且从所述热进口导管(30)轴向移位，使得所述热进口导管(30)在所述冷进口导管(40)与叶片和导叶排(25)之间，所述冷进口导管(40)具有
在所述热进口导管(30)中的出口端(42)，其外接于所述转子(5)并且适合于在所述周向表面(6)上方、在所述冷进口导管(40)的出口端(42)与所述叶片和导叶排(25)之间提供冷蒸汽(45)的边界层，
其中，在所述冷进口导管出口端(42)与所述叶片和导叶排(25)之间的所述转子周向表面(6)适合于促进和维持所述边界层。
2.根据权利要求1所述的蒸汽涡轮(1)，其特征在于，所述冷进口导管(40)的进口端(41)是径向进口端(41)。
3.根据权利要求1或2所述的蒸汽涡轮(1)，其特征在于，所述冷进口导管(40)具有：
径向分段(48)；
轴向分段(49)；和
轴向出口端(42)。
4.根据权利要求1到3中的任一项所述的蒸汽涡轮(1)，其特征在于，所述冷进口导管(40)的出口端(42)平行于所述热进口导管(30)。
5.根据权利要求1到4中的任一项所述的蒸汽涡轮(1)，其特征在于，所述出口端(42)通过具有直侧壁而适合于在所述冷进口导管(40)的出口端(42)与所述叶片和导叶排(25)之间提供冷蒸汽(45)的边界层，所述直侧壁基本平行并且没有延伸进入所述冷进口导管(40)的突出部。
6.根据权利要求1到5中的任一项所述的蒸汽涡轮(1)，其特征在于，所述转子周向表面(6)通过由没有边缘的平坦表面组成而适合于促进所述边界层的形成。
7.根据权利要求1到6中的任一项所述的蒸汽涡轮(1)，其特征在于，所述蒸汽涡轮(1)包括热进口螺旋(36)，其围绕所述转子轴线周向延伸并且具有连接到所述热进口导管(30)的进口端(31)的下游端。
8.根据权利要求7所述的蒸汽涡轮(1)，其特征在于，所述蒸汽涡轮(1)包括：
热进口管道(37)，其连接到所述热进口螺旋(36)以便使所述热蒸汽(35)的流能够顺序地穿过所述热进口管道(37)、所述热进口螺旋(36)以及热进口导管(30)至所述叶片和导叶排(25)；和
冷进口管道(47)，其连接到所述冷进口螺旋(46)以便使所述冷蒸汽(45)的流能够顺序地穿过所述冷进口管道(47)、所述冷进口螺旋(46)以及冷进口导管(40)至所述热进口导管(30)。
9.根据权利要求8所述的蒸汽涡轮(1)，其特征在于，所述冷进口管道(47)平行于所述热进口管道(37)。
10.根据权利要求8所述的蒸汽涡轮(1)，其特征在于，所述冷进口管道(47)在所述径向方向上与所述热进口管道(37)成至少90度的角度。
11.根据权利要求8到10中的任一项所述的蒸汽涡轮(1)，其特征在于，所述蒸汽涡轮包括多个热进口管道(37)和多个冷进口管道(47)。
12.一种用于操作根据权利要求1到11中的任一项所述的蒸汽涡轮的方法，包括同时注入冷蒸汽(45)穿过所述冷进口导管(40)和热蒸汽(35)穿过所述热进口导管(30)，其中，所述冷蒸汽(45)的温度低于所述热蒸汽(35)的温度。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述热蒸汽(35)的温度高于650℃，所述冷蒸汽(45)的温度低于650℃。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述热蒸汽(35)的温度高于700℃，所述冷蒸汽(45)的温度低于600℃。
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