CN103628935A - 用于减少涡轮转子和壳支撑件的热增长差异的冷却回路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于减少涡轮转子和壳支撑件的热增长差异的冷却回路。一种用于支撑涡轮转子和涡轮壳的机架，包括轴承座，其包括壳体，壳体封闭可被涡轮转子接合的轴承表面。涡轮壳臂支撑件定位在壳体的对置侧，涡轮壳臂支撑件均具有适于被封闭涡轮的至少一部分的涡轮壳的支撑臂接合的水平表面和一个或多个竖直表面。内部冷却/加热回路布置成同时冷却或加热轴承座和涡轮壳臂支撑件，从而减少涡轮转子和涡轮壳的差异热增长特性。

Description

用于减少涡轮转子和壳支撑件的热增长差异的冷却回路
技术领域
本发明大致涉及涡轮设备构造，并且更具体地说，涉及一种支撑布置，其实现了涡轮转子和涡轮壳更均匀的热增长，从而允许减少转子/壳接口处的间隙。
背景技术
在某些当前蒸汽涡轮设计中，转子和涡轮壳之间的“扭点”处的间隙闭合度在涡轮操作期间可能由于转子轴承支撑件(或轴承座)和涡轮壳臂支撑件在涡轮操作期间的竖直增长差异而大约为0.010英寸。因轴承座的热增长和收缩而引起的转子的竖直降落和升起相对较快(小于一小时)，而因壳支撑结构的热增长和收缩而引起的壳臂的竖直升起和降落相对较慢(大约16个小时达到完全增长)。在这方面，已经证明涡轮机架上的转子增长和壳增长因滑润剂温度驱动两者增长而实质相等的假设是不正确的。
在涡轮转子结构和涡轮壳之间的每密耳的间隙都造成显著的漏泄损失，并导致性能和经济损失。虽然已经努力在转子和壳之间实现更均匀的热增长特性以减少漏泄损失，但是这种努力难以达到期望的目标。
发明内容
根据一个示例性但非限制性的实施例，其提供了一种用于支撑涡轮转子和涡轮壳的机架，其包括轴承座、涡轮壳臂支撑件和冷却/加热回路，轴承座包括壳体，壳体封闭可被涡轮转子接合的弓形轴承表面；涡轮壳臂支撑件位于壳体的对置侧，涡轮壳臂支撑件均具有水平表面和一个或多个竖直表面，该水平表面和一个或多个竖直表面适于被封闭涡轮的至少一部分的涡轮壳的支撑臂接合；冷却/加热回路利用热交换器介质，布置成同时冷却或加热轴承座和涡轮壳臂支撑件，从而减少涡轮转子和涡轮壳的差异热增长特性。
另一方面，提供了一种用于支撑涡轮转子和涡轮壳的机架，其包括轴承座、涡轮壳臂支撑件和冷却/加热回路，轴承座包括壳体，壳体封闭可被涡轮转子接合的弓形轴承表面；涡轮壳臂支撑件位于壳体的对置侧，涡轮壳臂支撑件均具有水平表面和一个或多个竖直表面，该水平表面和一个或多个竖直表面适于被封闭涡轮的至少一部分的涡轮壳的支撑臂接合；冷却/加热回路布置成供应液体，以同时冷却或加热轴承座和涡轮壳臂支撑座，从而减少涡轮转子和涡轮壳的差异热增长特性；并且其中，至少两个分支管线连接到各个壳臂支撑件的内部回路，内部回路布置成冷却或加热水平表面和一个或多个竖直表面。
一种用于支撑涡轮转子和涡轮壳的机架，包括：
轴承座，其包括壳体，壳体封闭能够被涡轮转子接合的轴承表面；
位于壳体的对置侧的涡轮壳臂支撑件，涡轮壳臂支撑件均具有水平表面和一个或多个竖直表面，该水平表面和一个或多个竖直表面适于被将涡轮的至少一部分封闭的涡轮壳的支撑臂接合；以及
利用热交换介质的冷却/加热回路，其布置成同时冷却或加热轴承座和涡轮壳臂支撑件，从而减少涡轮转子和涡轮壳的差异热增长特性。
优选地，冷却/加热回路包括通向机架的入口管线、至少一个通向轴承座的供应管线、以及至少两个分支管线，其用于使机架和至少一个供应管线中的流的一部分转向到各个涡轮壳臂支撑件。
优选地，至少两个分支管线均连接到各个壳臂支撑件中的内部回路，内部回路布置成冷却或加热水平表面和一个或多个竖直表面。
优选地，内部回路被再分成冷却或加热水平表面的第一分支回路和冷却或加热一个或多个竖直表面的第二分支回路，第一分支回路和第二分支回路具有单独的排泄管线。
优选地，第一分支回路包括直接位于水平表面下方的通道。
优选地，第二分支回路包括直接位于一个或多个竖直表面后方的通道。
优选地，第一分支回路包括直接位于水平表面下方的通道。
优选地，冷却/加热回路包括一个或多个插入在各个涡轮壳臂支撑件内的带槽插塞。
优选地，热交换介质包括蒸汽、水或油。
一种用于支撑涡轮转子和涡轮壳的机架，包括：
轴承座，其包括壳体，壳体封闭能够被涡轮转子接合的弓形轴承表面；
位于壳体的对置侧的涡轮壳臂支撑件，涡轮壳臂支撑件均具有水平表面和一个或多个竖直表面，该水平表面和一个或多个竖直表面适于被将涡轮的至少一部分封闭的涡轮壳的支撑臂接合；
冷却/加热回路，其布置成供应液体，以同时冷却或加热轴承座和涡轮壳臂支撑座，从而减少涡轮转子和涡轮壳的差异热增长特性；且
其中，至少两个分支管线连接到各个壳臂支撑件中的内部回路，内部回路布置成冷却或加热水平表面和一个或多个竖直表面。
优选地，包括可选的热交换器，其中，液体以与更暖的液体进行热交换的关系经过，从而加热轴承座和涡轮区域壳支撑座。
优选地，内部回路被再分成冷却或加热水平表面的第一分支回路和冷却或加热一个或多个竖直表面的第二分支回路，第一分支回路和第二分支回路具有单独的排泄管线。
优选地，第一分支回路包括直接位于水平表面下方的通道。
优选地，第二分支回路包括直接位于一个或多个竖直表面后方的通道。
优选地，第一分支回路包括直接位于水平表面下方的通道。
优选地，包括用于使通向加热/冷却回路的流停止的手动关闭装置。
优选地，回路包括供给管线和排泄管线，并且其中，各个供给管线和排泄管线包含监测热电偶。
优选地，各个供给管线和排泄管线包含流孔口。
优选地，回路包括供给管线和排泄管线，并且其中，各个供给管线和排泄管线包含监测热电偶。
优选地，各个供给管线和排泄管线包含流孔口。
现在将结合以下标示的附图详细地描述本发明。
附图说明
图1是常规低压/中高压涡轮结构的局部透视图；
图2是用于图1中所示涡轮的前机架的透视图，其包含转子轴承座和壳臂支撑结构；
图3是从图2分离出的壳臂支撑座；
图4是局部透视图，其显示了上壳臂和下壳臂坐落在图3的壳臂支撑座上所处于的方式；
图5是图2中所示机架的局部透视图，但移除了上轴承部分，以显示机架的内部冷却回路的部分；
图6是局部透视图，其显示了图3的壳臂支撑座，并且包含根据一个示例性但非限制性实施例的冷却回路；
图7是从图6中所示的支撑座分离出的冷却回路的透视图；
图8是取自图1的LPA机架的透视图；
图9是壳臂支撑座的透视图，其包含冷却回路并根据一个示例性但非限制性实施例；以及
图10是根据另一示例性但非限制性实施例的由回路冷却的机架和两个壳臂支撑座的透视图。
具体实施方式
开始参照图1，其部分地显示了涡轮设备10，其连同其他构件指出了高压(HP)/中压(IP)涡轮壳或外壳12以及前转子和壳支撑机架14。机架14支撑涡轮转子的一端和形成了外涡轮壳的一部分的一对支撑臂。LPA或中间机架16轴向定位在HP/IP壳12和上低压(LP)排气罩18之间，并且第三机架20显示位于排气罩18的对置端。在这种已知的布置中，机架14、16和18通常支撑在混凝土基础22上，并且用作用于涡轮转子R的轴承座，涡轮转子R轴向地延伸经过HP/IP壳和排气罩、以及用于涡轮壳12的支撑件。应该懂得，在任何给定的涡轮设备中可利用一个或多个额外的机架以支撑涡轮转子/壳，并且本发明在此并不局限于在此所述和所示的涡轮结构。另外，出于本发明的目的，不需要详细地描述涡轮压缩机、燃烧器和涡轮级的各种其它细节。本公开在此涉及支撑涡轮转子和涡轮壳或外壳的不止一个机架的构造。
图2更详细地显示了前机架14。具体地说，前机架14包括上半帽部分26和下半部分28，其包含一个或两个其它常规的轴颈轴承，并且在某些情况下为推力轴承。转子R被显示居中并被轴承座24封闭(见图5)。机架14还包括位于轴承座24的对置侧的壳臂支撑座30和32，其容纳HP/IP壳12的上部分和下部分(图1)，如在下面结合图3和图4进行进一步描述。因为壳臂支撑座30和32彼此是镜像的，所以将只详细地描述壳臂支撑座30。各个支撑座30和32均固定到机架14的下半部分28。
特别参照图3，壳臂支撑座30包括水平定向的竖直加载键或垫片34，其如图4中最佳所示的那样支撑在下方第一水平支撑表面35，适于容纳上壳臂36。同时，轴向加载键或垫片38、45支撑在相应的竖直定向的支撑座表面40和47上，与第二水平表面46相邻。因此，竖直表面40、47被水平表面49分隔开。再次并且如图4中最佳所示，下壳臂48的端部是钩形状，并且从上壳臂36的螺栓接头悬置。注意存在空间以允许朝着或远离轴向加载键38和45的某些轴向移动(通常只有千分之几英寸)。在支撑上壳臂52(图1和图4)和相关联的下壳臂48(图1和图4)的壳臂支撑座32中的机架14对置侧，重复这种相同的布置。
图5-7显示了在一个示例性但非限制性的实施例中通过利用供应至轴承座24的相同的冷却油从而冷却壳臂支撑座30、32所处于的方式。因为用于座30、32的冷却回路是实质相同的，所以将只详细描述与座30相关联的回路。出于方便起见，在图7中更清楚地显示了结合图5和图6而描述的冷却回路，其中将冷却回路与壳臂支撑结构分离开。
加压的润滑油借助滑润剂供应管道56(图5)而供应至前机架14和轴承座24，滑润剂供应管道56划分为两个分支管线58、60，其将油供给至轴承座24。在前机架14内，预定部分的入口油被转向到各个壳臂支撑座30、32中。如上面提到的那样，此处的重点在于壳臂支撑件30。如图6中最佳所示，转向的入口油被供应至壳臂支撑座30，并且在座内形成了内部通道，从而使油流经例如竖直加载键34和轴向加载键38、45附近的内部通道。具体地说，油经由入口管道62而供应至壳臂支撑座30，并进入带槽插塞形式的成角度的通道64，其继而经由通道66、68而沿着竖直加载键支撑表面35并在其之下供应油。油然后通过第二成角度的带槽插塞70而流向下方侧向通道72(图7)。油然后进入第三实质竖直定向的带槽插塞74，其实质上连接至另一水平通道76，并然后经由管道78而离开壳臂支撑座30，管道78继而连接至排泄管道80。注意通道72、76沿着并邻近竖直定向的支撑座表面42、44而延伸，从而冷却那些表面和相应的键或垫片38、45。
来自入口管道62的油还流经成角度的带槽插塞64的下端经由管道82而进入第二回路中，管道82沿着闭合路径经过侧向通道84、水平定向的带槽插塞86和通向另一排放管道90的侧向通道88。通道84和带槽插塞86因而沿着并直接在水平表面49之下引导油。
从上面描述中应该懂得，润滑油用于直接冷却壳臂支撑座的重要表面，包括键或垫片34和下方表面42，以及键或垫片38、45和下方表面42、44和水平表面49；并且间接地冷却键或垫片45和下方表面47。这样，轴承座24和壳臂支撑座30、32保持在相对更均匀的温度下，因而导致构件两者更均匀的热增长特性。
在示例性但非限制性的实施例中，排泄部被分成两个管线80、90，以便最大限度地减小壳臂支撑座中的单个排泄部的长度。制造效率还通过使用带槽插塞64、70、74和86来实现，其最大限度地减少尤其在支撑座内其他难以到达的位置钻孔。带槽插塞是简单的块件，其形成有朝向内的槽，该槽在插入到支撑座的凹腔中时形成通道。在插塞中钻出入口和出口以到达槽，而非在支撑座本身难以到达的区域钻孔，这极大地简化了支撑座的制造。带槽插塞64、70、74和86被密封焊接到壳支撑座30和32上，从而当加压的油沿着内部通路流动时防止外部漏泄。这些插塞的使用不仅用于最大限度地减少支撑座30和32内的钻孔的数量，而且还保持强度并容许座足够支撑重的涡轮壳负载。如图7和图9中所示，管道插塞65、75、77、87和113、117、119、133和135、89分别安装在大多数密封焊接的带槽插塞器件中。这些管道插塞与连接的水平油通路对齐，从而在停机维护期间提供对通路的接入，以容许对任何可能在多个月的涡轮操作期间已经积累的碎屑进行可视且内孔表面的检查和净化。
在该示例性的实施例中，供给管线62可为大约一英寸直径的管道，其携带比机架14内的涡轮轴颈轴承所需要的流量小得多的流速。加压的轴承头油最初从涡轮机架14内的轴承给油歧管座91取出，如图5中所示。然后将壳支撑座油冷却流用管道输送到手动截止阀93，其安装在涡轮机架14的侧壁，如图6中所示。对于正常的涡轮操作而言，该阀门通常保持敞开。该截止阀下游的油流然后被分开，从而单独地流向各个壳臂支撑座30和32。例如，如图6中所示，一个分支管线将经由入口供给管道62而连接到壳支撑座中的一个。在外部油泄露的极度不正常的情况下，截止阀93用作安全装置，该油泄露来自油冷却的壳支撑座30和32，或来自连接到这些支撑座的管道62、80和90。注意，连接至壳支撑座30和32的各个供给管道和排泄管道装备了监测热电偶95以及孔口(orifice)97，从而控制供给流或离开的排泄流。两个排泄管线80和90中的孔口97用于确保在各个壳支撑座30和32内的油通路将保持充满油(加压的)，从而最大限度地增加流的吸热能力。另外，排泄管线的孔口尺寸可变化，以在各个壳臂支撑件30和32的两个单独的热量输入区域更好地控制温度和吸热，从而进一步优化整个冷却回路。供给管线62中的孔口97控制进入壳臂座30和32中的整体流速。该流速被设计为足够高，以充分地冷却支撑座30和32，但不会过高以至于浪费涡轮轴承头的整体流量。热电偶95容许远程监测进出各个壳臂支撑座30和32的油温度。我们期望排泄油相对于冷却的轴承供给油的某些温度增加，因为热量被壳支撑座30和32内的油吸取。油冷却的支撑座出来的供给温度和排泄温度的非常细小的差异可能指示经过供给孔口97的流速不足，或者在座的油通路内的潜在的堵塞。
现在参照图8和图9，对于LPA(低压罩“A”附近的涡轮机架)或中间机架16采用了类似的冷却回路。参照壳臂支撑座92，在支撑座的构造方面与前机架14相比存在整体类似性，在于壳臂支撑座92包括竖直加载键支撑表面94和轴向加载表面96。(注意图9中所示的LPA机架16相对于图1中所示的安装方向是颠倒的)。另外，图9中未显示竖直加载键(类似于图3中的键34)，但其将通常安装在竖直加载表面94。壳臂(图8和图9中未显示，但图1中标识为98)支撑在竖直加载表面94。(应该注意的是，与中间机架16相邻并如图1中以标号98标识的上半壳臂也是图1中的上HP壳36的整体部分)。图9中所示的内部冷却回路类似于图7中所示的内部冷却回路，但在该情况下，回路被发送，从而避开了经过支撑座92的轴向起重孔100。
更具体地说，加压的润滑油(或其它合适的滑润剂/热交换介质例如蒸汽或水)借助单个滑润剂供应管道(图8中大致以107显示供给管线和排泄管线)而供应至LPA机架16和轴承座102。如之前所述的实施例中，预定部分的入口油被转向到各个壳臂支撑座92、106中，并且出于简单起见，下面的描述将限定于壳臂支撑座92，应懂得如图8中所示在相对的壳臂支撑座106中可找到类似的回路。类似于图6，在使冷却流分开至各个壳支撑座92和106之前，另一截止阀被应用并安装在中间机架16的侧壁。再次，壳支撑座106出来的各个供给管道和排泄管道装备了孔口和热电偶，类似于图6中所示的孔口和热电偶(分别在97、95)。特别参照图9，来自入口管道的油经由入口管道108而转向到壳臂支撑件92，并进入形成于带槽插塞112中的成角度的通道110，其继而经由侧向通道114而将油供应至第二成角度的带槽插塞116和侧向通道118，其布置在轴向起重孔100之上，并邻近支撑表面94。油然后流经第三带槽插塞120，其将油携带至侧向通道122，其沿着并邻近竖直支撑表面96而在起重孔100之下延伸。油然后通过竖直定向的带槽插塞124而流向另一侧向通道126，还沿着表面96延伸，并然后经由管道128而离开，管道128连接到两个支撑座排泄部中的一个。同时，流经入口管道108的另一预定部分的油流经第一带槽插塞112，并经由通道130而侧向地引导至第四水平定向的带槽插塞132中，带槽插塞132然后经由通道136而使油在水平表面134之下直接流动。该部分的回路中的油然后经由管道138而离开，并连接到两个支撑排泄部中的第二个。这样，壳臂支撑座的重要表面保持在所期望的温度，并且支撑座热增长特性(尤其竖直方向)更紧密地与轴承座102的那些对齐。注意管道插塞113、117、119、125、127、133和135还安装在带槽插塞112、116、124和132，从而提供检查并净化连接到这些带槽插塞的内部通路例如122、118和130的接入。
在一个示例中，油最初被加热到例如大约110oF，并在起动时被供应至“冷的”轴承座和支撑臂。这容许轴承座和支撑臂以实质均匀的方式变热。当涡轮达到稳态条件时，润滑油冷却轴承座和壳支撑臂座。使用公共热交换介质来冷却壳臂支撑座，可将壳臂支撑座通常25-30密耳的竖直增长减少至大约10密耳，并因而更紧密地接近涡轮转子的竖直增长。
图10显示了第三示例性但非限制性实施例的简化的示意图，其中，流向壳臂支撑座140、142的油流通过发送油，并从入口连接部(或歧管座)144转向经过沿着座的底板148定位的热交换器146而预热，使得油可从支撑座的底板上的若干英寸的排泄油中吸收热量。这在起动中尤其有用，使得轴承座和支撑座可被更快速地加热到所期望的操作温度。此时，油可直接发送以用于冷却目的，从而绕过热交换器146。
通过同时冷却涡轮转子轴承座和壳臂支撑座，差异热竖直增长被减小，并且上面提到的与涡轮转子和壳或外壳支撑臂的增长时间和收缩时间相关的时间差异被实质上抵消，从而可在转子和壳之间获得更紧密的径向公差。还应该懂得，通过使用例如排泄部中的热电偶，从而可监测热交换介质的温度，该热电偶带有集成的警报，以对过热情况设置告警运算。另外，手动或自动控制可用于对不同机架中的任何一个或多个的构件中的某些或全部增加或减少热交换介质/滑润剂的供应。
虽然已经结合目前被认为是最实际且最优选的实施例而描述本发明，但是应该懂得本发明并不局限于所公开的实施例，而是相反地，旨在覆盖包含在所附权利要求的要旨和范围内的各种修改和等效布置。
部件列表
涡轮设备10
壳或外壳12
机架14
LPA或中间机架16
排气罩18
第三机架20
混凝土基础22
轴承座24、102
上半帽部分26
下半部分28
壳臂支撑座30、32、92、106
竖直加载键或垫片34
水平支撑表面35
上壳臂36
轴向加载键或垫片38、45
支撑座表面40、47，
水平表面46、49
下壳臂48
上壳臂52
供应管道56
分支管线58、60
入口管道62、108
通道66、68、136
带槽插塞64、70、74、86、112、116、124、132
下方侧向通道72
水平通道76
管道78、82、128
排泄管道80、90
侧向通道84、88、118、126、130
管道插塞65、75、77、87、113、117、119、127、133以及135
截止阀93
支撑表面94
热电偶95
孔口97
上半壳臂98
起重孔100
供给管线和排泄管线107
成角度的通道110
侧向通道114
水平表面134
管道138
壳臂支撑座140、142
入口连接部或歧管座144
热交换器146
底板148
涡轮转子R

Claims (10)

1. 一种用于支撑涡轮转子和涡轮壳的机架，包括：
轴承座，其包括壳体，所述壳体封闭能够被所述涡轮转子接合的轴承表面；
位于所述壳体的对置侧的涡轮壳臂支撑件，所述涡轮壳臂支撑件均具有水平表面和一个或多个竖直表面，该水平表面和一个或多个竖直表面适于被将所述涡轮的至少一部分封闭的涡轮壳的支撑臂接合；以及
利用热交换介质的冷却/加热回路，其布置成同时冷却或加热所述轴承座和所述涡轮壳臂支撑件，从而减少所述涡轮转子和涡轮壳的差异热增长特性。
2. 根据权利要求1所述的机架，其特征在于，所述冷却/加热回路包括通向所述机架的入口管线、至少一个通向所述轴承座的供应管线、以及至少两个分支管线，其用于使所述机架和所述至少一个供应管线中的流的一部分转向到各个所述涡轮壳臂支撑件。
3. 根据权利要求2所述的机架，其特征在于，所述至少两个分支管线均连接到各个所述壳臂支撑件中的内部回路，所述内部回路布置成冷却或加热所述水平表面和所述一个或多个竖直表面。
4. 根据权利要求3所述的机架，其特征在于，所述内部回路被再分成冷却或加热所述水平表面的第一分支回路和冷却或加热所述一个或多个竖直表面的第二分支回路，所述第一分支回路和所述第二分支回路具有单独的排泄管线。
5. 根据权利要求4所述的机架，其特征在于，所述第一分支回路包括直接位于所述水平表面下方的通道。
6. 根据权利要求4所述的机架，其特征在于，所述第二分支回路包括直接位于所述一个或多个竖直表面后方的通道。
7. 根据权利要求6所述的机架，其特征在于，所述第一分支回路包括直接位于所述水平表面下方的通道。
8. 根据权利要求1所述的机架，其特征在于，所述冷却/加热回路包括一个或多个插入在各个所述涡轮壳臂支撑件内的带槽插塞。
9. 根据权利要求1所述的机架，其特征在于，所述热交换介质包括蒸汽、水或油。
10. 一种用于支撑涡轮转子和涡轮壳的机架，包括：
轴承座，其包括壳体，所述壳体封闭能够被所述涡轮转子接合的弓形轴承表面；
位于所述壳体的对置侧的涡轮壳臂支撑件，所述涡轮壳臂支撑件均具有水平表面和一个或多个竖直表面，该水平表面和一个或多个竖直表面适于被将所述涡轮的至少一部分封闭的涡轮壳的支撑臂接合；
冷却/加热回路，其布置成供应液体，以同时冷却或加热所述轴承座和所述涡轮壳臂支撑座，从而减少所述涡轮转子和涡轮壳的差异热增长特性；且
其中，所述至少两个分支管线连接到各个所述壳臂支撑件中的内部回路，所述内部回路布置成冷却或加热所述水平表面和所述一个或多个竖直表面。
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