CN1051961A - 汽轮机内缸轴向位置控制系统 - Google Patents

Abstract

一种汽轮机，其内缸(34)可轴向移动地支撑在其 外缸(34)中，其相对位置这样来控制，使得其转子上 的叶片和内缸上的静止叶片保持在相互相对的预定 轴向位置上。探测转子在内缸中的位移的传感器向 马达提供控制信号，该马达在轴向上驱动内缸，以相 应于转子的位移而调整内缸的位置。

Description

一般地，本发明涉及汽轮机，更具体地，是涉及用于改善叶片密封的内缸轴向位置控制系统。

汽轮机的主要部件包括一个其上装有数列旋转叶片的转子和一个转子在其中旋转的静止汽缸。静止汽缸有数列向内朝着转子伸展的静止叶片，而旋转叶片向外朝着汽缸的内径方向伸展。在汽轮机静止叶片和旋转叶片顶部与汽缸和转子相应部分之间都设置有密封件。

由于汽轮机的转子和静止部件的热膨胀有差异，并且其支撑点也不同，转子会相对于汽缸和静止叶片作轴向移动。其结果，使叶片密封件的数目和型式都受到影响，导致泄漏增加。此外，由于必须增加静止部件和转动部件之间的空间，因此汽轮机机组的长度要增加。这在对汽轮机的低压机组部分进行改型时是肯定的，因为通过增加级的数目（或叶片列数）可以提高效率，而增大叶片通道间距的要求会侵占入口区的流通面积。这导致入口速度和流动分布损失都增加，从而使入口压力降增加。

而且，由于上面提到的相对移动，在低压机组部分的湿蒸汽区中的转子叶片和静止叶片之间的轴向距离在该机组部分的一半中是减小的，而在另一半中则是增大的。已经观察到，通过使流过静止叶片后缘的大水滴破碎，某一级的旋转叶片和静止叶片之间的增加的轴向距离降低了水分侵蚀。在核动力汽轮机的三个低压机组部分中的侵蚀的比较表明，每个双流型低压机组部分的一半中的侵蚀程度与另一半相比具有相当大的差别。

较新设计的静止叶片密封件通常局限于图1所示的直通流型，在这种型式中，所有密封件的直径都一样大，其配合面是圆柱形的。一般地，静止叶片密封件用标号20表示，旋转叶片密封件的标号则为22。旋转叶片密封件20也是用的直通型的。在图1所示的旋转叶片密封件22的情况下，可以通过减小密封件之间的间距来增加密封件的数目，以便减少泄漏。但是，这也可能增大泄漏，因为它减小了离开密封件的动能耗散（消耗）（称为动能零化因子），从而增大了泄漏。此外，直通型密封件即使在大间距下也不能耗散全部动能，而阶梯式的或交错式的密封件则能完全消除动能。该参数的大小相关于密封件余隙与密封件间距的比。

如果密封件受到磨损，直通式密封件和交错式或阶梯式密封件都出现了泄漏面积的增加，从而增加了泄漏。但是，余隙与间距的比增加时，直通式密封件的泄漏则增加得更多。交错式的密封件通过改变余隙空间的直径而形成一个回旋形的泄漏通道，这可以通过将密封配合面作成阶梯形（如图2，3和4所示），或者通过交错地装在旋转部件和静止部件上的楔入式密封件（如图5所示）来实现。在这种情况下，动能被完全耗散（湮灭）。因此，交错式或阶梯式密封件中泄漏的增加程度比直通式密封件要低。从而采用阶梯式密封件的装置其性能随时间下降的程度就较小。图2中的密封件称为弹簧承载的迷宫式密封件，而图3和图4中示出的是用于大型汽轮机反动叶片（栅）的径向密封件。图5所示密封件简单地称为双径向迷宫式密封件。

图6示出了一种较新的叶片通道，它在旋转叶片上方有阶梯式或交错式密封件22，在静止叶片下方有直通式密封件20。装在旋转叶片的低密封直径上的阶梯式密封件22必须设置在距离阶梯部分足够远的地方，以便当转子移向右边时，它们不会接触到阶梯部分。这就减少了可以用于一定密封面长度上的阶梯式密封件的数量。在图6所示的型式中，在每个直径区处或密封区处都有两个直通式密封件。这是为了保证在转子轴向地前后移动时在每个密封区处至少有一个密封件总是起作用的。

一定数目的阶梯式密封件发生的泄漏少于较大数目的直通式密封件。但是，由于上述这种轴向移动，为减少泄漏的阶梯式密封件的应用以及增加阶梯数都受到限制。

本发明的主要目的是提供一种汽轮机，其中设置了相当大数目的紧密相间的密封件，这些密封件能用于不同的直径区，具有良好的密封性，并且没有由于相配部件的接触而产生磨损的危险。

为了实现该目的，本发明的汽轮机包含一个具有旋转叶片的转子和一个具有静止叶片的支撑在一个外缸中的内缸，其特征在于，内缸由数个支撑件支撑在外缸中，这些支撑件可以允许内缸在外缸内作轴向移动，静止叶片和旋转叶片相互相对地处于某一预定的轴向位置上，设置了轴向驱动内缸的机构，用于补偿转子的轴向移动，由此将旋转叶片和静止叶片保持在预定的轴向位置上。

通过下面对在附图的图7至图11中示出的一个优选实施例的描述，本发明将会变得更加清楚。

图1是汽轮机的一个机组部分的一部分的平面图，它示出了旋转叶片密封件和静止叶片密封件的一种特有的型式;

图2、3和4是部分剖的平面图，它们示出了已知的密封件的其它一些型式;

图5是表示另一种型式的已知密封件的剖视图;

图6是汽轮机的一个机组部分的一部分的平面图，它示出了已知密封件的另一种型式，其中叶片上按其列数作了标号;

图7A是采用了本发明的位置控制系统的汽轮机机组部分的立视图;

图7B是一个用于防止图7A所示汽轮机机组部分的内缸作横向移动的止动（定位）键的详细视图;

图7C是一个用于图7A的位置控制系统中的弯曲板的示意图;

图8是一个如在图7A的位置控制系统中使用的设置在叶片顶部的位置传感器的示意图;

图9是表示位置传感器的电输出作为叶片顶部相对于位置传感器的位置的函数关系示意图;

图10A，10B和10C是表示位置传感器的电输出作为距该位置传感器的一个极的距离的函数的示意图;

图11是包括电路系统的位置控制系统的示意图，这些电路系统基于液压驱动器的反馈使得对内缸的调整更加容易。

生产核动力的设备中的汽轮机包含低压机组部分、中压机组部分和高压机组部分。在本发明中，整个低压机组部分在图7A中由标号30表示。低压部分30包含一个外缸32（只示出其下半部分）和一个内缸34。内缸34由两个对半壳体在其相对的端面上沿着一个水平的纵向布置的凸缘用螺栓固定在一起而构成。外缸也是对开式的两部分结构，为了图示的目的，移掉了其上半部分。

转子36的轴颈支承在外缸中，以便绕汽轮机和转子的轴心线旋转。转子36上装有数列旋转叶片38，内缸上也装有数列静止叶片，旋转叶片和静止叶片的列数按常规方式改变。

汽轮机该机组部分的其它特征是已知的，例如低压蒸汽入口40，横向定位键42和44，当外缸的上半部分32A组装后，这些键可以防止内缸34的横向移动（参见图7B）。

弯曲板46，48，50和52为在外缸32内支撑内缸34提供了可移动的支撑件，内缸上的静止叶片和转子上的旋转叶片相互之间各处于一个预定的轴向位置上。

在双流型的汽轮机机组部分30中，静止叶片所处的位置与其相配的旋转部件的距离都相等。通过轴向移动内缸，并且在双流型机组部分的每个半壳中的特定旋转叶片相对于内缸或叶环上的传感器的位置来维持上述静止叶片的位置。当传感器检测到有一轴向位置位移时，他们可向一个液压驱动机构发送一个信号。该液压驱动机构在后面将作较详细的描述。

内缸34安装在弯曲板46，48，50和52上，这些弯曲板距蒸汽入口40是轴向等距的，距转子的旋转轴线是横向等距的。横向定位键42和44允许内缸作轴向移动，但限制横向或侧面移动，同时允许内缸作轴向和横向的膨胀。内缸在外缸上的支撑件可以用任何低摩擦部件，例如滑动板，滚动件等，但最好还是采用弯曲板。每个弯曲板的主（长）轴位于横向方向，而短轴位于轴向方向。来自活塞驱动机构的非平衡力使弯曲板轴向弯曲，以使内缸34移动。如果这些弯曲板是两英尺高，由于弯曲板的轴向弯曲，内缸壳体的高度变化在轴向位移为0.75英吋时将是最小的。0.75英吋的位移量是本发明的位移的典型数值。虽然并不打算使弯曲板的弯曲覆盖很长的距离，在图7B中示出了弯曲板的弯曲的示意图，用于表示弯曲板的功能。

因为能够使内缸中心地相对转子进行定位，因此可以在静止叶片下面使用阶梯式密封件，并且可以将更多的阶梯和密封件设置在旋转叶片上。因为只有极小的相对移动，可以减小图6中的1R和1C列以及1R和2C列之间的间距，从而设计人员可以减小总长度，或者增加1C列前入口区域的面积或者，如果需要的话，在不影响入口区面积的情况下可再加上一个附加级。

为了沿另一个轴向方向驱动内缸34，在转子36的相对的两侧设置了驱动机构。每个驱动机构包含一个液压马达54和56，每个液压马达可以有一对液压油缸58和60，用于驱动相应的托架62和64，这些托架固定在内缸34的凸缘部分上，位于转子36相对的两侧，并近似位于汽轮机低压机组部分的横向中心线上。

为了有效地跟踪转子36的热移动，必须通过持续地反馈在转子和机壳上某点的相关位置信号来控制驱动内缸34的液压活塞或液压马达58，60。相对运动的那些点最好是在L-O列叶片顶部的后缘和安装在内缸中的与其相邻的叶片振动传感器处。参见图8，该图示出了在某一位置下面或在振动传感器68下面叶片66的通道。传感器有一个外壳70，一个磁铁72和一个线圈74。在传感器68的端部和叶片顶部之间形成一间隙76。传感器装置68至少包括四个位置传感器，其中两个装在机组部分30的两个相对的轴向端部，另两个设置在内缸34的相对的两侧。位于端部的位置传感器68靠近转子叶片最外一列的叶片顶部并且与最外一列旋转叶片的后缘对齐。传感器68可以按已知技术装在内缸中，因此不必作进一步的描述。

当叶片从传感器68下面通过时，会产生一个响应磁阻变化的感应电压。磁阻与叶片顶部在磁铁72的小磁极（直径大约为3.175mm）下面通过期间的距离相关联。图9中所示的一个特征电压信号是响应通过传感器68中的线圈74的磁通变化率而产生的。信号的幅值与传感器到叶片顶部的距离有密切的相关关系。当转子相对于传感器轴向移动时，会有一点处使叶片顶部没有任何部分处于传感器的下面。在该点处，传感器的信号开始急剧下降。当传感器68中的磁极在L-O列叶片顶部的后缘之外几分之一英吋时，传感器信号的幅值典型地下降一个数量级，如图10A-10C所示。信号下降的精确值取决于传感器和叶片顶部到传感器的距离之间的间隙公称尺寸。位置传感器68的电输出按照叶片顶部到传感器的距离之间的一个函数关系进行变化，当最外一列叶片的后缘直接与振动传感器的一个磁极对齐时则出现一个峰值电压。

在小的轴向作用范围中的叶片振动传感器信号的大小是内缸内的转子位置的准确度量措施。称为峰值探测电路的电路78产生一个与叶片振动信号峰值成比例的直流信号。因此，由传感器68产生的交流信号被转变成直流信号，记为V1。比较电路80将参照电压V2与位置信号V1进行比较，比较的结果产生一个控制信号，将该控制信号输送到一个控制液压马达的驱动器阀的液压驱动器电路82中。如果直流信号超过了表示一个长转子的预定参照电压值，那么正的误差信号使液压驱动器或液压马达电路移动液压活塞，并向左移动外壳直到误差信号减小至零为止。同样，如果直流信号降低到表示一个短转子的预定值之下，那么负的误差信号使液压驱动器电路或液压马达电路移动液压活塞，将内缸34向右移动，直到误差信号再次回到零为止。

传感器的温度会在很小的程度上影响传感器输出信号。这与传感器中永久磁铁强度的衰减以及传感器和叶片顶部之间的间隙因热引起的变化有关。因此，如果采用一个辅助的传感器，那么可以进一步提高转子位置测量的精确度。因此在稍靠上流处设置一个辅助传感器，并且与主传感器有相等的间隙。辅助传感器产生一个参考信号，用于修正主传感器的输出信号，以便补偿磁强和间隙的变化。例如，磁强和间隙的变化导致辅助传感器的信号下降2%，那么在主传感器附近的一个电路会使来自主传感器的信号在它与如上所述那样与参照信号比较之前将被增大2%。这样就消除了磁强和间隙等变化对主传感器的影响。

Claims (10)

1、一种汽轮机，包含一个具有旋转叶片(38)的转子(36)，和一个具有静止叶片的内缸(34)，内缸(34)支撑在一个外缸(32)中，其特征在于，内缸(34)由数个支撑件(46，48，50，52)支撑在外缸(32)中，这些支撑件可以允许内缸(34)在外缸内作轴向移动，而静止叶片和旋转叶片相互相对地处于其预定的位置上，设置了轴向驱动内缸(34)的机构(58)，用于补偿转子(36)的轴向移动，从而使旋转叶片和静止叶片保持在其预定的轴向位置上。

2、按照权利要求1的汽轮机，进一步包含设置在内缸（34）中的用于探测转子（36）轴向位移的传感器装置（68），驱动部件（58）可响应传感器装置（68）而工作。

3、按照权利要求1或2的汽轮机，其特征在于，所述数个支撑件包含四个弯曲板件（46，48，50，52），它们离内缸（34）的蒸汽入口（40）具有相等的轴向距离，并且离转子（36）的旋转轴线具有相等的横向距离。

4、按照权利要求2的汽轮机，其特征在于，传感器装置（68）包括至少四个位置传感器（68），其中两个传感器设置在汽轮机机组部分（30）的相对的两个轴向端部，另两个设置在内缸（34）的相对的两侧。

5、按照权利要求4的汽轮机，其特征在于，驱动机构包括第一和第二马达（54，56），它们围绕着汽轮机机组部分（30）的一个横向中心线连接在内缸（34）的相对的两侧上，位于汽轮机每一侧的两个传感器（68）可以向同一侧的马达发送控制信号。

6、按照权利要求5的汽轮机，其特征在于，第一和第二托架（62，64）连接在内缸（34）的相对的两侧，并且分别与第一和第二马达（54，56）相连。

7、按照权利要求5或6的汽轮机，其特征在于，第一和第二马达（54，56）均为液压马达。

8、按照权利要求4至7中之一的汽轮机，其特征在于，位于端部的两个位置传感器（68）设置在靠近转子叶片最外一列的叶片顶部的地方，并且与最外一列的旋转叶片的后缘对齐。

9、按照权利要求4至8中之一的汽轮机，其特征在于，每个位置传感器（68）都是具有电输出的振动传感器，该电输出按照叶片顶部到传感器的距离的一个函数关系进行变化，当最外一列叶片的后缘直接与振动传感器的一个磁极对齐时则出现一个峰值电压。

10、按照权利要求9的汽轮机，其特征在于，设有一个接收振动传感器（68）的电输出并产生直流位置信号的峰值探测电路（78），一个将该直流位置信号与贮存的参照信号进行比较的比较电路（80），和一个依据参照信号与直接位置信号之间的差值用于控制驱动机构的驱动阀，由此移动内缸（34）的液压驱动电路（82）。

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