CN102947546A - 蒸汽涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机械额定功率为最大500kW的、用于驱动发电机的蒸汽涡轮机，其包括：轴(10)，进汽口和开放的径流式工作轮(6，12)，该径流式工作轮与所述轴(10)抗扭地连接并且能够通过所述进汽口由蒸汽加载。

Description

蒸汽涡轮机

技术领域

本发明涉及一种按照权利要求1的前序部分的蒸汽涡轮机以及一种按照独立权利要求的轴的支承装置。

背景技术

现有技术的蒸汽涡轮机是众所周知的，蒸汽的，特别是过热蒸汽的热能能够利用这些蒸汽涡轮机被转换为机械能并且继续借助发电机被转换为电能。众所周知，这样的蒸汽涡轮机也用于小功率，即小于500kW的功率，其中现有技术中的已知蒸汽涡轮机具有其上布置有涡轮叶片的轴。为了驱动该轴，蒸汽通过进汽口沿轴向方向被引到涡轮叶片上。

然而这样的轴流式蒸汽涡轮机的缺点在于：在费用合理和效率又高的情形下，这种轴流式蒸汽涡轮机只能被设计用于高功率。对于较小的质量流量来说，这样的轴流式蒸汽涡轮机成本高并且另外可能效率低。

另外，例如由DE 10 2008 052513公知了径向入流的叶轮。然而那里所示出的带有径向出流的装置，在小质量流量中应用的情况下只具有有限的效率。

发明内容

本发明的目的在于，减小或者消除现有技术的缺点，特别是本发明的目的在于提供一种用于小质量流量或者小额定功率的蒸汽涡轮机，该蒸汽涡轮机能够以良好的效率运行或者制造简单或者便于实施。

这个目的通过按照权利要求1的蒸汽涡轮机得以实现。这样的蒸汽涡轮机特别适合于生物气装置，这样的生物气装置通常与传统的发电厂相比具有较小的热功率可供使用。本发明的蒸汽涡轮机特别适合于生物气装置的热电联产级之后的废热利用。

本发明的蒸汽涡轮机具有最大为500kW的机械额定功率。在这种情况下机械额定功率是指蒸汽涡轮机在持续运行中在其驱动发电机的从动轴上输出的功率或者直接输出在一个内燃发动机的轴上的功率。特别优选更小功率的蒸汽涡轮机，因为在功率越小的情况下，与轴流式蒸汽涡轮机相比本发明的技术的优点就会越大。这样本发明的蒸汽涡轮机优选具有机械额定功率最大为300kW，特别优选最大为150kW和更加优选最大为100kW。优选的实施方式包括开放的径流式工作轮，因为利用这种径流式工作轮可以达到好的效率。另外的实施方式包括封闭式的径流式工作轮。优选径流式工作轮被配置用于蒸汽的轴向流出。蒸汽的“径向流入”是指相对轴的轴向方向从径向外侧向内至少为45°的蒸汽的流动方向，比较优选至少为70°，更加优选至少为85°或者88°。

蒸汽涡轮机优选包括开放的径流式工作轮。径流式工作轮具有它们即使在小的质量流量的情况下也能达到好的效率的优点。开放的结构能够实现高圆周速度，该圆周速度又对效率产生积极的影响。另外高转速容许较小的直径，这些直径能够使在小的质量流量的情况下可接受的叶片横截面成为可能。通过这种方式在整个圆周上加载工作轮成为可能，这涉及另外优点或者效率。

优选构造进汽口和径流式工作轮，这样该径流式工作轮可以由蒸汽完全加载。通过这种方式效率得到提高。特别优选进汽口包括将蒸汽引到径流式工作轮的螺旋导向装置。通过这种方式达到了损耗很小的入流。优选使用导向装置。

优选地构造蒸汽涡轮机，使得当蒸汽涡轮机在额定功率输出运行时轴具有至少50,000转/每分钟的转速，优选至少每分钟70,000转。高转速具有效率可以由此得以提高的优点。优选径流式工作轮的圆周的圆周速度为至少150米/秒。这具有如下优点：可以以高入流速度运行，这样即使在小有效功率的情况下也可以实现好的效率。

根据本发明，蒸汽涡轮机包括第二径流式工作轮，该径流式工作轮与轴抗扭地连接。优选第二径流式工作轮同样是开放的工作轮。第二径流式工作轮具有：通过逆向流经径流式工作轮可以平衡作用在轴上的轴向负荷的优点。

优选地，径流式工作轮被布置在轴的相对的端部上。这具有的优点在于：轴的支承可以具有比较简单的结构，特别是在具有被如下构造的径流式工作轮的优选的实施方式中，即径流式工作轮构造为其轴向推力至少基本上得以抵消。在这种情况下优选地，径流式工作轮被蒸汽的横向流串联地流过。优选地，径流式工作轮中的一个大于另一个；特别优选地是，处于顺流中的径流式工作轮大于处于逆流中的径流式工作轮。

优选设置有给第二径流式工作轮加载的第二进汽口，其中用于蒸汽径向流入到第二径流式工作轮的该进汽口被从外向内地布置。

优选的蒸汽涡轮机包括用于蒸汽从第一径流式工作轮轴向流出的第一排汽口。另外优选蒸汽涡轮机包括用于蒸汽从第二径流式工作轮轴向流出的第二排汽口。

优选两个轴向工作轮中的每一个构成一个压力级，其中设置有另外的轴，该轴带有用于另外的压力级的两个另外的、活动地被支承在轴端上的和接收相应入流的径流式工作轮。压力级优选被构成为并联或者串联。

优选地，轴优选可活动地被支承。通过这种方式，蒸汽的更轻易地流入或者流出轴。相对布置的径流式工作轮的另一个优点在于：叶轮后的最后的涡轮级之一中的负压达不到轴密封处。轴密封被布置在壳体的内部空间与蒸汽通道之间。另外轴可以被设计得极短，这样产生带有高固有频率的高刚性。

优选蒸汽涡轮机包括至少一个被固定支承的、带有用于轴的支承的行星摩擦轮的行星轮组。行星摩擦轮优选包括钢制或者陶瓷制的摩擦衬片。钢或者陶瓷具有承载能力高的优点。优选设置两个被固定支承的行星轮组。行星摩擦轮优选各包括一个台阶或者止推轴肩。这具有与轴上的台阶相互作用实现轴向支承的优点。行星摩擦轮具有无需使用齿轮就能够实现通过轴的和/或来自轴的支承以及同时的力矩传递的优点。通过这种方式实现了轴的高转速。另外的典型的实施方式为了提高可传递的扭矩除了行星摩擦轮之外还包括行星轮，其中摩擦轮的预载荷可以被降低到零。

优选地，行星轮组与空心轴有效连接。在优选地被固定支承的行星轮组的情形下，如此通过旋转蒸汽涡轮机的轴而使空心轴被驱动，该空心轴将行星摩擦轮围住。空心轴优选地与轴同轴对齐。空心轴可以被直接支承在行星摩擦轮上或者被安装在空心摩擦轮上。空心摩擦轮或者空心轴优选包括止推轴肩或者台阶。优选地，因此，带有外侧座圈的行星摩擦轮允许空心轴或者空心摩擦轮的轴向支承，如同它们也适合于轴的支承那样。

优选地，空心轴包括驱动齿圈。空心轴的优选的实施方式被设计成两个部分。这使得空心轴的简单的装配成为可能。这两个部分中位于外部的部分优选地在空心轴的开槽内，优选地朝向外部。通过这种方式实现如下：从动齿圈具有小的直径，这样与被驱动的齿轮共同作用实现大的传动比。通过这种方式蒸汽涡轮机的高转速能够被进一步减速以驱动发电机。

优选地，从动轴的齿轮与从动齿圈相啮合。为此，从动轴优选地具有齿圈，该齿圈具有的直径大于空心轴的从动齿圈。

优选地，蒸汽涡轮机具有另外一组两个径流式工作轮，这些径流式工作轮被抗扭地布置在第二轴上，其中所述第二轴同样与从动轴有效地连接，特别是通过与上文中描述的传动装置类似构造的、具有行星轮、空心轴和外啮合的传动装置。同样可以设置具有工作轮和传动装置的第三或者另外的轴。这具有的优点在于：单根从动轴能够由具有数个径流式工作轮的紧凑的结构驱动，所述径流式工作轮优选由蒸汽被串联地加载。

本发明的另一个方面是具有上文描述的本发明的或者优选的蒸汽涡轮机之一的生物气装置。在这种情况下蒸汽涡轮机优选被用于废气中所含热量的剩余能量利用。

本发明的另一个独立的方面涉及的是轴的支承装置，特别是额定转速大于每分钟50,000转的轴，其包括：轴；两个行星轮组，这些行星轮组分别包括用于支承轴且具有沿圆周方向光滑的圆柱状表面的、被固定地、可旋转地支承的行星轮；以及被支承在行星轮组上的空心轴。本文中，“被固定地、可旋转地支承”是指行星轮或者行星摩擦轮被支承在一个固定的壳体上，以只能够围绕它们的旋转轴线旋转。

行星轮组优选被如下地布置，即轴在预载荷下由该行星轮组支承。行星轮组优选被设计为行星摩擦轮组以及因此用作力矩传递。行星轮或者行星摩擦轮优选具有钢制的表面，特别是表面淬火的或者连续淬火的钢制的或者陶瓷制的表面。

优选地，空心轴包括被布置在与行星轮组的啮合区域之间的力输出侧(Kraftabgriff)。所述力输出侧有益地被布置在区域(在该区域处空心轴在内侧面上与行星摩擦轮接触)之间的收缩处。这具有传动比高的优点。

空心轴或者行星轮或者轴优选包括对该轴或者该空心轴进行轴向引导的轴肩(Bund)。这具有轴沿轴向方向的支承简单的优点。

另外，轴的支承装置的典型的实施方式包括与蒸汽涡轮机相关联地、涉及到其传动装置和轴支承的被公开的特征，特别是附加的、带有齿圈的行星轮，所述齿圈具有与行星摩擦轮相同的节圆直径，或者在力输出侧区域处与空心轴相啮合的从动轴。同样地，优选的实施方式配备有另外的、被类似地支承的和类似地与从动轴相啮合的轴，从而数根轴以大传动比作用在这一根从动轴上。

在本发明的典型的实施方式中，在行星轮被收纳在其中的壳体的内部与涡轮机壳体的内部之间通过气体润滑的和弹簧加载的轴向密封对轴进行密封，这个轴向密封例如在EP 2060804A1中被加以阐述。EP 2060804A1的与所述轴向密封相关的公开构成这个申请的一部分。

作为补充，在典型的实施方式中可以有益地设置迷宫式密封。为了进一步改善密封性，迷宫式密封优选被布置在气体润滑密封的压力侧，就是说在涡轮机壳体的这一侧上。通过这种方式获得可靠的密封。

本发明的一个独立的方面是使用气体润滑密封装置，特别是带有用于本发明的或者优选说明的实施方式之一中的蒸汽涡轮机的、前置的迷宫式密封。

附图说明

接下来借助几个附图对本发明的优选的细节进行更加详细的阐述。其中附图示出：

图1是带有本发明的轴的支承装置的本发明的蒸汽涡轮机的示意性侧视图；

图2以示意性的剖面图示出图1的蒸汽涡轮机的剖面；

图3示出的是图1的蒸汽涡轮机的另一个示意性的剖面图。

具体实施方式

在图1中是带有本发明的轴的支承装置的本发明的蒸汽涡轮机的示意性的侧视图。蒸汽涡轮机包括一个壳体，在图1中仅仅示出该壳体的壳体半部1。

与图1和图3相关联地被阐述的图2示出的是图1所示的蒸汽涡轮机的剖面，其中在图1至3中相同的附图标记被用于相同的或者类似的部件并且不必在每个附图说明中再次重复解释。

在图2中示出的同样是壳体半部1的剖面，其中图2的剖面穿过图1的蒸汽涡轮机的下部区域。另外，在图2中可以看到第二壳体半部2，该壳体半部与第一壳体半部1法兰连接。

在图1中另外示意性地示出第一入口螺旋5的顶视图，该入口螺旋为给第一径流式工作轮6加载的进汽口的一部分。径流式工作轮6在图1中仅被部分地示出。可以看到径流式工作轮6穿过排出管7的部分。排出管7被用作排汽口，以排出第一径流式工作轮6的轴向流出的蒸汽。

第一径流式工作轮6被支承在轴10上，其中在该轴10的相对的端部上布置有第二径流式工作轮12。第二径流式工作轮12被与第一径流式工作轮6相对地布置并且通过第二入口螺旋13承受完全蒸汽加载。同样设置有一个第二排汽口14。被标注“A”的箭头示意性地示出蒸汽的流动方向。

在图2中另外还示意性地示出轴10如何被两个行星摩擦轮组支承。轴并非被直接支承在壳体半部1和2上，而是仅仅通过行星摩擦轮组被支承。轴10通过第一行星摩擦轮组被支承在壳体半部1的一侧上，所述第一行星摩擦轮组的两个第一行星摩擦轮15的剖面在图2中示意性地被示出。第一行星摩擦轮15被支承在支承销轴16上，这些支承销轴被布置在壳体半部1中。轴10中的台阶或者止推轴肩承担着轴10的轴向支承。在这种情况下请注意：由于相对布置的径流式工作轮6和12的原因，作用在轴10上的轴向力很小。带有行星摩擦轮组的轴10是本发明的轴10的支承装置的核心元件。下文关于从轴直到从动轴的支承和减速的细节的阐述同样是本发明的轴的支承装置的优选实施方式的特征。这个装置也可以用于在蒸汽涡轮机内部以外的目的，特别是用于快速旋转轴，这些轴必须被换速到从动轴上。

在壳体半部2的一侧上具有带第二行星摩擦轮组的对称布置。两个行星摩擦轮18被支承在壳体半部2内的两个支承销轴19上。两个行星摩擦轮18在它们的用以支承轴10的内侧面上也配备有用以轴向支承轴10的台阶。在第二行星摩擦轮18上第二空心轮20被布置在外圆周上，该空心轮承载空心轴的第二分轴21。另外空心轴包括第一分轴22，该分轴被布置在第一空心轮23上，该分轴由第一摩擦轮组支承。

两个分轴21和22构成一个空心轴，一个从动齿圈25被布置在该空心轴上。空心轴分成两部分的原因在于：由于从动齿圈25设置在空心轴的缩颈(Einschnuerung)处，所以空心轴无法被整体地安装在两个摩擦轮组上。

两个空心轮20和23同轴10一样被支承在两个行星摩擦轮组上。

为了改善从轴到空心轴的力矩的传递，作为对摩擦轮组的补充本发明的典型的实施方式还包括带有齿圈的行星轮组。为了将第一径流式工作轮的流出的蒸汽引入入口螺旋中给第二径流式工作轮加载，本发明的另外的典型实施方式包括蒸汽通道。

借助于两个行星摩擦轮组以及支承在所述行星摩擦轮组的两个空心轮上的分离的空心轴上的力输出侧，轴的同时支承和减速具有若干优点。例如，在高减速的情况下同时实施支承功能和力传递功能。优选每组行星摩擦轮组布置有至少三个固定的摩擦轮作为行星轮，即每根轴至少六个。

优选通过固定的行星轮的外侧座圈上的轴和空心轮或者空心轴的各个止推轴肩或者台阶实施轴向支承。通过这种方式可以实现力传递对称的简单的结构以及微小的摩擦损耗。

摩擦轮的轴承优选被设计成滚动轴承，并且由于从轴到摩擦轮的减速的原因具有比轴明显低的转速。轴本身具有短的结构长度，这样它具有高的固有频率和高的刚性。

在图3中再次示出图1中所示的实施例的示意性剖面图，其中图3示出的是图1的蒸汽涡轮机的垂直剖面。补充说明参见上文对图1和2的描述。

图3示出的是从动轴30，该从动轴通过滚动轴承31被支承在壳体半部1和2内。从动轴支承有齿轮32，该齿轮与空心轴的从动齿圈25啮合。由于齿轮32的直径明显大于从动齿圈25的直径以及这个直径又明显小于空心轮20和23的直径，实现了从行星摩擦轮15和18到从动轴30的进一步的传动比。

本发明并不限于前述优选的实施例，更确切地说由权利要求确定本发明的范围。

Claims (15)

1.蒸汽涡轮机，特别是用于驱动机组、机械额定功率最大为500kW，其包括：

-轴(10)；

-进汽口；

-第一径流式工作轮(6，12)，该径流式工作轮在所述轴(10)的第一端部上与所述轴(10)抗扭地连接以及能够通过所述进汽口由蒸汽加载，其中为了使蒸汽径向流到所述第一径流式工作轮上，所述进汽口被从外向内布置，以及

第二径流式工作轮(12)，该径流式工作轮在所述轴(10)的与所述第一端部相对的第二端部上与所述轴(10)抗扭地连接。

2.根据权利要求1所述的蒸汽涡轮机，其特征在于，构造所述进汽口和所述径流式工作轮(6，12)使得所述径流式工作轮(6，12)能够由蒸汽完全加载。

3.根据前述权利要求中任意一项所述的蒸汽涡轮机，其特征在于，在额定功率的蒸汽涡轮机的运行中，轴(10)具有至少每分钟50,000转的转速。

4.根据前述权利要求中任意一项所述的蒸汽涡轮机，其特征在于为所述第二径流式工作轮加载的第二进汽口，其中该第二进汽口为了使蒸汽径向流到所述第二径流式工作轮上被从外向内布置。

5.根据前述权利要求中任意一项所述的蒸汽涡轮机，其特征在于用于蒸汽从所述第一径流式工作轮轴向流出的第一排汽口。

6.根据前述权利要求中任意一项所述的蒸汽涡轮机，其特征在于，所述径流式工作轮(6，12)被活动地支承在轴(10)上。

7.根据前述权利要求中任意一项所述的蒸汽涡轮机，其特征在于被固定支承的、具有用于支承轴(10)的行星摩擦轮(15，18)的行星轮组。

8.根据权利要求7所述的蒸汽涡轮机，其特征在于，所述行星轮组包括与所述行星摩擦轮(15，18)平行的行星轮。

9.根据权利要求7或8所述的蒸汽涡轮机，其特征在于，所述行星轮组与空心轴(21，22)有效连接。

10.根据权利要求9所述的蒸汽涡轮机，其特征在于，所述空心轴(20，21)被支承在所述行星摩擦轮(15，18)上。

11.根据权利要求9或10所述的蒸汽涡轮机，其特征在于，所述空心轴(20，21)具有外置的从动齿圈(25)。

12.根据权利要求11所述的蒸汽涡轮机，其特征在于一个或者数个另外的并联和/或串联连接的压力级的两个另外的径流式工作轮，这些径流式工作轮被抗扭地布置在第二轴上或者数个另外的轴上，其中所述轴和所述第二轴和另外的轴与从动轴(30)的齿圈有效连接。

13.轴的支承装置，特别是额定转速在每分钟50,000转以上的轴，其包括：

-轴，

-两个行星轮组，这些行星轮组分别包括用于所述轴的支承的、具有沿圆周方向光滑的圆柱状表面的、被固定地、可旋转地支承的行星轮，和

-被支承在所述行星轮组上的空心轴。

14.根据权利要求13所述的支承装置，其特征在于，所述空心轴具有布置在与所述行星轮组的啮合区域之间的力输出侧区域。

15.根据权利要求13或14所述的支承装置，其特征在于，所述空心轴和/或行星轮和/或轴包括用于所述轴和/或所述空心轴的轴向引导的轴肩。

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