CN106574502B - 蒸汽轮机和用于运行蒸汽轮机的方法 - Google Patents

蒸汽轮机和用于运行蒸汽轮机的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有冷却可行性的蒸汽轮机(1)，其中从流动通道中提取蒸汽，所述蒸汽冷却推力平衡隔板(16)并且与少量新鲜蒸汽混合并再次被输送给流动通道。

Description

蒸汽轮机和用于运行蒸汽轮机的方法
技术领域
本发明涉及一种蒸汽轮机，所述蒸汽轮机包括内壳体和外壳体以及转子，所述转子以转动支承的方式设置在内壳体之内，其中外壳体围绕内壳体设置，其中转子具有沿着第一流动方向设置的高压区域和沿着第二流动方向设置的中压区域。
此外，本发明涉及一种用于冷却蒸汽轮机的方法，其中蒸汽轮机具有高压区域和中压区域，其中转子设置在高压区域和中压区域之间并且具有推力平衡隔板。
背景技术
在本申请的范围中，将蒸汽轮机理解成下述涡轮机或涡轮段，所述涡轮机或涡轮段由呈蒸汽的形式的工质穿流。不同于此地，燃气轮机由燃气和/或空气作为工质穿流，然而所述工质与蒸汽轮机中的蒸汽相比经受完全不同的温度和压力条件。与燃气轮机相反，在蒸汽轮机中，例如流向涡轮段的具有最高温度的工质同时具有最高压力。朝向流动通道敞开的开放式的冷却系统在燃气轮机中也能够在不从涡轮段外部供给冷却介质的情况下实现。为蒸汽轮机设有用于冷却介质的外部供给。因此，涉及燃气轮机的现有技术已经不能够被考虑用于本申请对象的评价。
蒸汽轮机通常包括装有叶片的可转动地支承的转子，所述转子设置在壳体或壳体外壳之内。在流动通道的由壳体外壳形成的内部空间由被加热的且处于压力下的蒸汽穿流时，转子经由叶片通过蒸汽置于转动。转子的叶片也称作为转子叶片。此外，在内壳体上通常悬挂有静态的导向叶片，所述导向叶片沿着体部的轴向扩展接合到转子叶片的间隙中。导向叶片通常保持在沿着蒸汽轮机壳体的内侧的第一部位上。在此，所述导向叶片通常是导向叶片排的部分，所述导向叶片排包括多个导向叶片，所述多个导向叶片沿着内环周设置在蒸汽轮机壳体的内侧上。在此，每个导向叶片的叶身指向径向内部。在沿着轴向扩展的所述第一部位上的导向叶片排也称作为导向叶栅或导向叶片环。通常，多个导向叶片排依次连接。相应地，在沿着轴向扩展位于第一部位下游的第二部位上，另一第二叶片沿着蒸汽轮机壳体的内侧保持。一对导向叶片排和转子叶片排也称作为叶片级。
这种蒸汽轮机的壳体外壳能够由多个壳体区段形成。将蒸汽轮机的壳体外壳尤其理解成蒸汽轮机的或涡轮段的静态的壳体构件，所述壳体构件沿着蒸汽轮机的纵向方向具有呈流动通道的形式的内部空间，所述内部空间设为用于由呈蒸汽的形式的工质穿流。根据蒸汽轮机类型，这能够为内壳体和/或导向叶片支架。但是，也能够设有涡轮机壳体，所述涡轮机壳体不具有内壳体或不具有导向叶片支架。
由于效率原因，这种蒸汽轮机的设计对于所谓的“高的蒸汽参数”、即尤其高的蒸汽压力和/或高的蒸汽温度而言能够是值得期望的。然而，尤其温度提高由于材料技术的原因不是无限可行的。为了在此能够实现即使在尤其高的温度下蒸汽轮机的可靠的运行，因此冷却各个构件或部件能够是值得期望的。在没有有效冷却的情况下，在温度升高时，需要明显更昂贵的材料(例如，镍基合金)。
在尤其用于呈蒸汽轮机壳体或转子的形式的蒸汽轮机体部的迄今已知的冷却方法中，在主动冷却和被动冷却之间进行区分。在主动冷却时，通过蒸汽轮机体部单独地、即除了工质之外输送的冷却介质引起冷却。相反地，被动冷却仅通过适当地引导或利用工质来进行。迄今为止，蒸汽轮机体部优选被动地冷却。
因此，所有迄今已知的用于蒸汽轮机壳体的冷却方法只要其尤其为主动冷却方法，就在任何情况下都设有单独的且待冷却的涡轮机部分的有针对性的迎流并且被限制于工质的入流区域，在任何情况下都包含第一导向叶片环。这在用较高的蒸汽参数加载常见的蒸汽轮机时能够导致作用于整个涡轮机的、提高的热负荷，所述热负荷可以通过在上文中描述的对壳体的通常的冷却仅不充分地减少。
已知蒸汽轮机的实施方式，所述蒸汽轮机除了第一流动通道之外具有第二流动通道，其中不仅第一流动通道，而且第二流动通道设置在壳体之内。这种结构方式也称作为紧凑涡轮。已知下述实施方式，其中第一流动通道构成为用于高压叶片组并且第二流动通道构成为用于中压叶片组。第一流动通道的和第二流动通道的流动方向在此指向相反方向，以便由此使推力平衡最小化。基本上，这种结构方式包括构成有高压区域和中压区域的转子，所述转子以转动支承的方式设置在内壳体之内，其中围绕内壳体设置有外壳体。高压区域针对新鲜蒸汽温度来设计。在新鲜蒸汽穿流高压区域之后，蒸汽流向再热器，并且在那里被置于更高的温度并且随后流过蒸汽轮机的中压区域。
这种转子的应用极限通过受到高热应力的区域来限定。在温度变高时，决定性的强度特征值超比例下降。由此，得到最大允许的轴直径，所述轴直径尤其在60赫兹应用的情况下引起限制，这涉及转子的转子动力学的长细比。因此，通常在整体转子的情况下在达到应用极限时变成次好的材料，所述材料经得起热学要求或者转子以焊接的方式构成，其中两种材料分别针对热应力来设计。
值得期望的是，在尤其用于高温运行的蒸汽轮机的蒸汽轮机部件中具有有效冷却。
发明内容
在该方面，本发明的目的在于，提出一种蒸汽轮机和一种用于其的制造方法，其中蒸汽轮机本身在高温区域中尤其有效地被冷却。
所述目的通过一种蒸汽轮机和一种用于冷却蒸汽轮机的方法来实现。
本发明的基本构思在于，构成被动冷却。本发明在此针对上述紧凑结构方式的蒸汽轮机。这表示，蒸汽轮机在整个外壳体之内具有高压区域和中压区域。高压区域针对新鲜蒸汽温度来设计。新鲜蒸汽温度在此在压力为80bar至350bar时位于530℃和720℃之间。中压区域在压力为30bar至120bar时针对入口区域中的为530℃至750℃的温度来设计。
在蒸汽发电厂中，在高压叶片组和中压叶片组之间区别如下：新鲜蒸汽首先流过针对新鲜蒸汽设计的涡轮段。在新鲜蒸汽流过高压区域之后，所述新鲜蒸汽流向再热器并且在那里被加热到中压入口温度并且随后流过中压区域。在流过中压区域之后，蒸汽流向低压区域并且在那里具有更低的蒸汽温度。
现在，本发明的主要构思是，蒸汽轮机现在构成为，使得能够被动地冷却推力平衡隔板。对此，从高压流动通道中在适合的部位从流动通道分出蒸汽，所述蒸汽在一个部位上被引向推力平衡隔板。所述蒸汽随后能够在推力平衡隔板和内壳体之间的区域中扩散。本发明的另一主要构思是，上述蒸汽能够与一部分新鲜蒸汽混合，所述新鲜蒸汽随后能够经由交叉回引通道再次被引向第一流动通道。
有利的改进方案在下文中给出。
在有利的第一改进方案中，第一高压叶片级沿着第一流动方向观察设置在第二高压叶片级的上游。
这表示，从第一高压叶片级中提取的蒸汽与从第二高压叶片级中提取的蒸汽相比具有更高的蒸汽参数。由此，能够从高压叶片组区域中目的明确地提取适当的蒸汽。
在另一个有利的改进方案中，第一推力平衡活塞隔板空间沿着第一流动方向观察设置在第二推力平衡隔板空间的上游。因为推力平衡隔板的热负荷是不同的，所以本发明提出，当第一推力平衡隔板空间沿着第一流动方向观察设置在第二推力平衡隔板空间上游时，更好的冷却可行性是可行的。
在另一个有利的改进方案中，在内壳体和推力平衡隔板之间，沿着第二流动方向在第二推力平衡隔板空间上游设置有第一刷密封件，并且沿着第二流动方向在第一推力平衡隔板空间下游设置有第二刷密封件。
在一个尤其有利的改进方案中，第一交叉回引通道由回引管构成。由此，能够优化热平衡。
在另一个有利的改进方案中，连接装置由连接管构成，这同样引起有利的温度平衡。
在一个尤其有利的改进方案中，蒸汽轮机构成为具有第二交叉回引通道，所述第二交叉回引通道作为联通的管设置在第三推力平衡隔板空间和第三高压叶片级下游之间，所述第三推力平衡隔板空间设置在推力平衡隔板和内壳体之间。
由此，在空间中位于隔板和内壳体之间的其他蒸汽能够用于冷却可行性和膨胀做功。
有利地，第三高压叶片级沿第一流动方向观察设置在第二高压叶片级下游。
因此，借助本发明能够最佳地冷却推力平衡隔板。
由此，转子的机械应用极限的扩展由于温度降低在轴内部是可行的。此外，在可能使用刷密封件时，确保对推力平衡隔板的充分的冷却是可行的。此外，通过根据本发明的设置，部件的热临界负荷区域通过被动系统来冷却。
本发明的在上文中描述的特性、特征和优点以及如何实现所述特性、特征和优点的方式和方法结合下面对实施例的描述变得更清晰且可更清楚地理解，所述实施例结合附图详细阐述。
附图说明
下面，根据附图描述本发明的实施例。所述附图不应按照比例示出实施例，更确切地说，用于阐述的附图示意地和/或略微偏差地构成。在对于附图中直接可见的教导的补充方面，参考相关的现有技术。
附图示出：
图1示出蒸汽轮机的示意的剖面图，
图2示出具有根据本发明的设置的在图1中示出的蒸汽轮机的局部图。
具体实施方式
图1示出蒸汽轮机1，所述蒸汽轮机包括内壳体2和外壳体3以及转子4。转子4以可转动支承的方式设置在内壳体2之内。支承方式未详细示出。外壳体3围绕内壳体2设置。转子4围绕旋转轴线5基本上旋转对称地构成。沿着基本上平行于转动轴线5伸展的第一流动方向6，转子4具有高压区域7。以与第一流动方向6相反设置的方式，转子4具有中压区域9，所述中压区域沿着第二流动方向8设置。
内壳体2在高压区域7中具有多个高压导向叶片(未示出)，所述高压导向叶片设置在围绕旋转轴线5的环周上。高压导向叶片设置成，使得沿着第一流动方向6形成具有多个高压叶片级(未示出)的高压流动通道10，所述高压叶片级分别具有一排高压转子叶片和一排高压导向叶片。
经由第一高压入流区域11，新鲜蒸汽流动到蒸汽轮机1中并且随后流过高压流动通道10。在高压流动通道10中，蒸汽膨胀，其中温度下降。蒸汽的热能转换成转子4的旋转能。在蒸汽流过高压流动通道10之后，所述蒸汽从高压出流区域12从蒸汽轮机1中继续流动至再热器(未详细示出)。在再热器中，被冷却的蒸汽重新置于高的温度，所述温度相应于高压入流区域中的新鲜蒸汽温度。然而，入流区域11中的压力明显更低。
内壳体2在中压区域9中具有多个中压导向叶片(未示出)，所述中压导向叶片设置成，使得沿着第二流动方向8形成具有多个中压叶片级(未示出)的中压流动通道13，所述中压叶片级分别具有一排中压转子叶片和一排中压导向叶片。
在再热器下游的蒸汽经由中压入流区域14流过中压流动通道13。蒸汽的热能转换成转子4的旋转能。在中压流动通道13下游，蒸汽经由出口15从蒸汽轮机1中流出。蒸汽随后被继续引导至低压涡轮段(未示出)或被继续引导至工艺过程作为工艺蒸汽。转子4在高压流动通道10和中压流动通道13之间具有推力平衡隔板16。所述推力平衡隔板16具有与转子4相比更大的直径。
新鲜蒸汽温度在压力为80bar至350bar时为530℃至720℃。中压温度在压力为30bar至120bar时为530℃至750℃。
图2示出图1中的蒸汽轮机1的局部，其中在图2中示出根据本发明的其他特征。内壳体2具有连接装置17，所述连接装置作为联通的管设置在第一高压叶片级18下游的高压流动通道10和第一推力平衡隔板空间19之间，其中推力平衡隔板空间19设置在推力平衡隔板16和内壳体2之间。内壳体2在推力平衡隔板16的区域中具有多个区段20。区段20分别具有迷宫式密封件(未示出)。
此外，内壳体2具有第一交叉回引通道21，所述交叉回引通道作为联通的管设置在第二推力平衡隔板空间19(所述第二推力平衡隔板空间设置在推力平衡隔板16和内壳体2之间)和第二高压叶片级22之间。
第一高压叶片级18沿着第一流动方向6观察设置在第二高压叶片级23的上游。
第一推力平衡隔板空间19沿着第一流动方向6观察设置在第二推力平衡隔板空间22的上游。
在内壳体2和推力平衡隔板16之间，第一刷密封件24沿着第二流动方向8设置在第二推力平衡隔板空间22的上游。第二刷密封件25沿着第二流动方向8设置在第一推力平衡隔板空间16的下游。
在替选的实施方式中，第一交叉回引通道21能够由管构成(未示出)。在图2中示出的实施例中，交叉回引通道21设置在内壳体2中。
在图2中选择的实施例中，连接装置17构成在内壳体2中，并且在替选的实施方式中，连接装置17能够由连接管构成。
蒸汽轮机1具有第二交叉回引通道26，所述第二交叉回引通道作为联通的管，在第三推力平衡隔板空间27和在高压流动通道10中的高压入流空间之间形成，所述第三推力平衡隔板空间设置在推力平衡隔板16和内壳体2之间，所述高压入流空间设置在第三高压叶片级28下游。
第三高压叶片级28沿第一流动方向6观察设置在第二高压叶片级23下游。交叉回引通道26能够在内壳体20中构成。在替选的实施方式中，第三交叉回引通道26能够构成为管。
虽然本发明在细节上通过优选的实施例详细说明和描述，但本发明不局限于公开的示例，并且其他变型形式能够由本领域技术人员从中导出，而不脱离本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种蒸汽轮机(1)，包括：
内壳体(2)和外壳体(3)以及转子(4)，所述转子以转动支承的方式设置在所述内壳体(2)之内，
其中所述外壳体(3)围绕所述内壳体(2)设置，
其中所述转子(4)具有沿着第一流动方向(6)设置的高压区域(7)和沿着第二流动方向(8)设置的中压区域(9)，
其中所述内壳体(2)在所述高压区域(7)中具有多个高压导向叶片，
所述高压导向叶片设置成，
使得沿着所述第一流动方向(6)形成具有多个高压叶片级的高压流动通道(10)，所述多个高压叶片级分别具有一排高压转子叶片和一排高压导向叶片，
其中所述内壳体(2)在所述中压区域(9)中具有多个中压导向叶片，
所述中压导向叶片设置成，使得沿着所述第二流动方向(8)形成具有多个中压叶片级的中压流动通道，所述多个中压叶片级分别具有一排中压转子叶片和一排中压导向叶片，
其中所述转子(4)在所述高压区域(7)和所述中压区域(9)之间具有推力平衡隔板(16)，
其中所述内壳体(2)具有连接装置(17)，所述连接装置作为联通的管构成在沿着所述第一流动方向(6)观察位于第一高压叶片级(18)下游的所述高压流动通道(10)和第一推力平衡隔板空间(19)之间，所述第一推力平衡隔板空间设置在所述推力平衡隔板(16)和所述内壳体(2)之间，
其中所述内壳体(2)具有第一交叉回引通道(21)，所述第一交叉回引通道作为联通的管形成在第二推力平衡隔板空间(22)和在所述高压流动通道(10)中的高压入流空间之间，所述第二推力平衡隔板空间设置在所述推力平衡隔板(16)和所述内壳体(2)之间，所述高压入流空间沿着所述第一流动方向(6)观察设置在第二高压叶片级(23)下游。
2.根据权利要求1所述的蒸汽轮机(1)，
其中所述第一高压叶片级(18)沿着所述第一流动方向(6)观察设置在所述第二高压叶片级(23)上游。
3.根据权利要求1或2所述的蒸汽轮机(1)，
其中所述第一推力平衡隔板空间(19)沿着所述第一流动方向(6)观察设置在所述第二推力平衡隔板空间(22)上游。
4.根据权利要求1或2所述的蒸汽轮机(1)，
其中在所述内壳体(2)和所述推力平衡隔板(16)之间，沿着所述第二流动方向(8)在所述第二推力平衡隔板空间(22)上游设置有第一刷密封件(24)，并且沿着所述第二流动方向(8)在所述第一推力平衡隔板空间(19)下游设置有第二刷密封件(25)。
5.根据权利要求1或2所述的蒸汽轮机(1)，
其中所述第一交叉回引通道(21)由多个管构成。
6.根据权利要求1或2所述的蒸汽轮机(1)，
其中所述连接装置(17)由多个连接管构成。
7.根据权利要求1或2所述的蒸汽轮机(1)，
所述蒸汽轮机具有第二交叉回引通道(26)，所述第二交叉回引通道作为联通的管形成在第三推力平衡隔板空间(27)和在所述高压流动通道(10)中的高压入流空间之间，所述第三推力平衡隔板空间设置在所述推力平衡隔板(16)和所述内壳体(2)之间，所述高压入流空间沿着所述第一流动方向(6)观察设置在第三高压叶片级(28)下游。
8.根据权利要求7所述的蒸汽轮机(1)，
其中所述第三高压叶片级(28)沿所述第一流动方向(6)观察设置在所述第二高压叶片级(23)下游。
9.一种用于冷却蒸汽轮机(1)的方法，
其中所述蒸汽轮机(1)具有高压区域(7)和中压区域(9)，其中转子(4)在所述高压区域(7)和所述中压区域(9)之间具有推力平衡隔板(16)，其中从所述高压区域(7)中提取蒸汽并且输送给在推力平衡隔板(16)和内壳体(2)之间的空间，其中将蒸汽从在推力平衡隔板(16)和所述内壳体(2)之间的空间中经由第一交叉回引通道(21)输送给所述高压区域(7)。
10.根据权利要求9所述的方法，
其中将在推力平衡隔板(16)和内壳体(2)之间的其他蒸汽经由第二交叉回引通道(26)输送到所述高压区域(7)中。
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