CN1044696A - 蒸汽轮机汽流方向控制系统 - Google Patents

Abstract

这里，汽轮机系统在汽轮机跳闸之后，通过正好在排汽上游的一点抽出蒸汽并将它排至一个低压区来降低排汽段的压力，而通过将高压排汽引入冲动室来提高入口压力。更可取地通过利用沿其压力面长度方向的集汽槽的抽吸作用，使汽轮机排汽附近的汽轮机叶片的压力侧。即凹面上的压力降低，从而保持汽流路线与叶片压力面接触。

Description

本发明涉及蒸汽轮机特别是用于减小汽机叶片的过热和由此而造成的疲劳损坏的方法和系统，这种过热和疲劳损坏的发生是因为再热汽轮机跳闸后汽轮机的鼓风加热。

随着汽轮机的“跳闸”，也即切断从锅炉输往汽轮机冲动室的高压蒸汽，在一次再热的汽轮机中的高压部分的汽流在不到1秒钟的时间内就能产生反向流。产生这样的反向流的原因是：蒸汽截止阀的关闭保持高压部分排汽压力在一个升高的水平，此时高压部分入口的压力由于汽轮机轴的周围的泄漏，和通过疏水系统汽流的排放而下降。在二次再热的汽轮机中同样的情况也会发生在两次再热之间。

众所周知，当存在反向或逆向汽流时，产生的鼓风加热在汽机叶片正常正向旋转时要大于反向或逆向旋转时的情况。也已确定，在反向流动和正向或正常旋转时产生的鼓风损失最大，此时汽流沿着叶片通道的抽吸侧或凸面侧。在这现象中汽流沿着通道壁面偏离汽流方向，称为附壁效应。（正常的正向流动通常趋向于随着形成汽流的通道壁並沿叶片通道的凹面侧或压力侧。）在反向流动工况期间发生的附壁效应，由于鼓风加热的增加，使损失进一步增大。

鼓风加热问题常规的解决办法一直是通过提供足够的通流蒸汽把热量带走以控制温度，这样就不会发生叶片的疲劳破坏。然而很难估计正向旋转与反向汽流的工况，並且尽管详细调查了这个问题，根据推算正向旋转，正向汽流数据的计算预计的温度过分保守。分析的不精确性顺蒸汽通过的每一级依次增大，因为每一级在前一级的温度上加上某些不正确的温度增量。这些过分保守的预计导致设计时通流系统选用的通流或疏水阀门大于实际需要，增加了费用。防止反向汽流能减少鼓风加热的问题，从而可以降低通流系统的要求和费用，並且可以使用已从正向旋转，正向汽流工况获得的经验数据来较精确地预计鼓风加热。

因此本发明的主要目的是：在汽轮机跳闸之后，通过控制蒸汽流动的方向和消除附壁效应以减小汽轮机叶片的鼓风加热。

带着这个考虑的目的，本发明用于一台再热蒸汽轮机，至少有一个带有冲动室和一个排汽段的汽轮机部件，该汽轮机还有另外的部件和区段，那里的压力低于排汽段，一个用于减小鼓风加热的系统，其特征为：出口装置位于排汽段的上游，用于通流蒸汽的抽出;第一导管装置连接所说的出口装置至一个低压区;第一阀门装置连接至所说的导管装置，用于控制流过所说的出口装置的蒸汽流量;入口装置进入到冲动室，用来引导从排汽段排出蒸汽;第二导管装置在所说的入口装置和排汽段之间连接;而第二阀门装置与所说的第二导管装置相连，用于控制进入冲动室的排汽流量。

本发明提供一种用于在再热汽轮机跳闸后维持正向汽流方向和控制汽流路线的方法和系统，通过维持压力差去控制汽流的方向和路线。在汽轮机跳闸之后，通过正好在排汽上游的一点抽出蒸汽並将它排至一个低压区、给水加热器、或冷凝器，使得排汽段的压力降低。此外通过把高压排汽引入冲动室使入口处的压力升高。其次，在凹面即汽轮机排汽附近的汽轮机叶片的压力侧，压力被降低，这是通过把抽吸作用应用到沿其压力面长度方向的集汽槽，从而保持汽流路线和叶片的压力面接触。

仅只用举例的方法，结合附图，通过对其中所示的较佳实施例的以下叙述，本发明将变得更加显而易见，其中：

图1A和1B示出了汽轮机在反向汽流工况下的压力分布和定性的蒸汽流线;

图2是根据本发明的汽流方向控制系统的一种型式的示意图;

图3是一台汽轮机和其汽缸内部的局部剖视图，示出了汽轮机叶片中的一条集汽槽，和与其在一起的连接孔，该孔穿过汽轮机汽缸连接至一个集汽区以及根据本发明的另一种型式的抽汽装置;

图4是叶片上有某一种型式的集汽槽的汽轮机叶片的简化剖视图;

图5与图4相似，表示出另一种集汽槽的结构。

在汽轮机中汽流反向和叶片向前或正常旋转时，有关叶片的鼓风增加，正如图1A和1B二个图的压力分布和定性的蒸汽流线所示。图1A表示没有附壁效应的有关二个相邻的汽轮机叶片7.8汽流的偏斜。图1B表示伴有附壁效应的有关叶片7.8的偏斜。附壁效应引起汽流沿着叶片通道的抽吸侧或凸面“a”，这里通道壁偏离正常的汽流方向。当存在附壁效应时出现一个大的分离汽团“d”，与此相反，当不存在附壁效应时出现二个小得多的分离汽团“e”、“f”。已经发表的有关汽轮机反向汽流和反向旋转的报告证实了;当存在附壁效应时，较高的鼓风加热导致叶片的疲劳损坏。图1A和1B的曲线图示出了通过叶片区的压力。

图2是根据本发明装有汽轮机高压段12的汽流方向控制系统10的汽轮机9的简化局部剖面示意图。在位置14处即在汽轮机高压部分的最后二个汽轮机级L-0和L-1（如16所示）前和在汽轮机高压段12剩下的前几级18后，蒸汽通过导管20被抽出，由阀门22控制，然后引入到低压区24，例如冷凝器或给水加热器。

有些汽轮机组在位置14处装有一根用于给水加热器的抽汽管或导管（未示出）。为此，比这样的给水加热器抽汽管小的导管20，可以在一个逆止阀的汽机侧接入至较大的抽汽管中，图中並未表示出逆止阀，而是通常装于这样的抽汽管中。如果没有现成的给水加热器抽汽管，可以穿过压力汽缸壁17钻孔15並和管道19相接，把蒸汽引至集汽联箱21，然后引至低压区24。阀门22′可以安装在集汽联箱21和低压区24之间。应该知道，在图2的示意图中管道19和导管20两者同时示出时，应明白这二个抽汽装置只有其中之一才用在任何一台汽轮机上。

此外，从汽轮机排汽28引出的管道26装有一个控制阀30，引导排汽进入高压部分12的冲动室32的入口32′。这个系统10从二个方面使叶片通道温度降低。首先，在汽轮机跳闸后汽流的反向在被消除前仅仅发生在汽轮机的最后二级16处。剩下的前几级18将不会受到反向汽流引起的温度升高。预计反向汽流引起的温度的不精确性就会因此被限制在最后二级16。

其次，排汽进入冲动室32将朝正常的方向流动，並且将通过管道19或20排出，从而减小鼓风损失。因为已经获得了这种工况的试验数据，对于这种结构，鼓风损失的预计将相当准确。最高的温度发生在L-1和L-2级，那里装有本发明的汽流方向控制系统10，通过从汽轮机出口到入口所有级温度连续升高。

图3-5叙述了本发明的其它特性，其中在汽轮机叶片的压力面上使用抽吸，以使汽流接触与这些表面保持接触。在图4中示出了具有半圆形集汽槽54的叶片52的断面。该槽是在叶片52的压力面56上从叶片的根部到顶端用锻造或机加工形成的，用以抽吸蒸汽。正如曾经在上面叙述过的，抽吸面55不经受同样的汽流偏斜。集汽槽54不一定需呈半圆形，然而这样的形状有良好的水力学半径。在槽54的每一侧有一个凹入部分58用以接受孔板或网屏62的边缘60。孔板62是焊接就位的，並且它在外形上类似于叶片的金属薄片材料，材质与用于采用排泄冷却的高温燃气轮机的相同。正如用在本发明中那样，蒸汽通过孔64被抽出以保持汽流与压力面56接触的情况下通过叶片52。孔64应有流线型或园型的入口以提高流通能力。在凹入部分58完成焊接后要磨光，以使叶片表面56的型线与未改进的叶片相同。

有些叶片的材质难以焊接，例如含12%铬的合金。另一个实施例如图5所示，避免了焊接问题，即采用电火花加工来形成集汽槽54′和孔64′。集汽槽54′可以是一个纵向柱状的孔以代替半圆形的抽汽孔，也消除了需要一个单独的覆盖板，並且穿过压力表面56的孔64′深度各不相同，取决于集汽槽圆形壁面横断面的位置。

图3用示意图表示旋转叶片52和静止叶片52′中集汽槽54的抽汽通过汽轮机汽缸82引出的通道。因为图3中所示的实施例与图2所示的实施例在蒸汽收集系统的细节上稍有不同，所以在系统中用不同的参考编号标示在各部件上。然而将可以识别出来，汽缸82相当于汽缸17，集汽联箱21相当于集汽联箱86，管道19、20相当于管道84，孔15相当于孔80，而冷凝器24相当于低压区88。集汽槽54连接到用钻孔或成形穿透叶片围带74的孔72。在旋转叶片52的情况下，孔72开口进入密封环78之间的空间76中。密封环78位于围带74的二侧以阻止经集汽槽54抽出的蒸汽在汽轮机内扩散，並且也保持槽54内的压力稍低于叶片通道的压力。在某些机组中旋转叶片没有围带（图中没有示出），槽54将直接通入空间76。多个孔洞80穿透汽缸82与空间76连接，孔洞80用导管装置84连接到一个集汽联箱86，再转接到一个低压区88，它可以是一个给水加热器，凝汽器，或锅炉排污扩容器。

在静止叶片52′的情况下，没有密封环78也必然没有空间76。孔72′穿过围带74′直接连接到穿过汽缸82的孔80′。

随着汽流在一个非常接近压力面56的角度离开叶片52，汽流以一个更加适合的角度进入下一排叶片，因此减小了鼓风损失。旋转叶栅上的旋转作用使通过集汽槽的蒸汽流量增大。叶栅试验可以用来确定集汽槽54和用来消除附壁汽流的孔64的最佳位置，同时也可确定通过槽54排出蒸汽的最佳额度，以确保汽流对压力面的附着力。在本发明的另一个实施例中，每个叶片可有二个槽，一个靠近后缘，另一个靠近前缘。

图3中所示的本发明的实施例可以采用各种结构。例如，因为一排叶片汽流的改善也就改善了下一排叶片中的汽流，故本发明可以用在间隔的叶栅上，也即只用在旋转叶栅上，或者只用在静止叶栅上。虽然旋转使叶栅中的流量增大了，但是旋转叶片受到的应力更高。並且，低压叶片是细长、扭转和带锥形的，这对加工沟或槽54存在问题，因此最好是对低压部分的静止叶片应用本发明。

Claims (8)

1、在一台再热蒸汽轮机(9)中至少有一个汽轮机部件(12)，具有一个冲动室(32)和一个排汽段(38)，汽轮机(9)还具有其它的部件和区段，在那里压力低于排汽段(28)，一个系统(10)用来减小鼓风加热，其特征为：出口装置(14、15)位于排汽段(28)的上游，用来抽出流经那里的蒸汽；第一导管装置(19、20)将上述出口装置(14、15)连接到低压区(24)；第一阀门装置(22、22′)连接到所说的导管装置(19、20)，用于控制通过所说的出口装置(14、15)的蒸汽流量；入口装置(32′)进入冲动室(32)内，用于导引来自排汽段(28)的排汽；第二导管装置(26)将所说的入口装置(32′)和排气段(28)之间连接起来；而第二阀门装置(30)与上述第二导管装置(26)相连，用于控制进入冲动室(32)的排汽流量。

2、根据权利要求1的系统，特征在于所说的低压区（24）包括一台给水加热器。

3、根据权利要求1的系统，特征在于所说的低压区（24）包括一台冷凝器。

4、根据权利要求1、2或3的系统，这里排汽段（28）的上游装设了一条配有一个逆止阀的抽汽管道以便抽汽供给水加热器使用，其特征在于所说的第一导管装置（20）被布置接入至抽汽逆止阀前的抽汽管道。

5、根据权利要求1至4的任何一个权利要求，这里所说的汽轮机具有多个间隔排列的固定和旋转叶栅（52、52′），每个叶片有一个压力面（56）和一个抽吸面（55），特征为：挑选的汽轮机叶栅（52、52′）之一的叶片的压力面（56′）加工形成一道集汽槽（54、54′），每一道所说的集汽槽（54、54′）在相应的叶片上纵向地从内端部延伸到外端部，集汽区（76）位置相邻于叶片（7、8）的外端部，用于收集通过所说的集汽槽（54、54′）的汽流;而抽吸装置（74、84、86、88）与所说的集汽区（76）连接，以抽出收集的蒸汽和维持所说的集汽槽（54、54′）内的压力低于汽轮机（9）内的叶片通道内的压力。

6、根据权利要求5的系统，特征在于每个所说的集汽槽（54、54′）被一个打孔的平板（62）所覆盖，所说的孔板（62）外表面的型线与相应叶片的压力面（56）连续。

7、根据权利要求5的系统，特征在于所说的集汽区（76）包括贯穿汽轮机汽缸（82）的许多个孔（80），每个孔（80′）的配置是用来从1个或多个所说的集汽槽（54、54′）接收蒸汽。

8、根据权利要求6或7的系统，特征在于所说的集汽区（76）还包括每一个旋转叶栅的一个环形集汽室（76），它由一排旋转叶片的外端部和汽轮机汽缸（82）内壁之间的一个空间（76）组成，所说的空间（76）用一对密封环（78）来封闭，密封环的外侧圆周附着在对应叶栅二侧的汽缸内壁上，並且密封环的内侧园周和叶栅中的叶片的外端部相接触。

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