CN1100193C - 透平机及其冷却方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种透平机(1)，尤其是蒸汽透平机，它具有一外壳(15)、一至少部分利用外壳(15)构成的工作流体(4)的入流区(3)、一冷却流体(5)输送管(8)、一布置在外壳(15)内沿主轴(2)延伸的动叶片托架(11)、和一布置在入流区(3)内的屏蔽元件(19)，该屏蔽元件用来使动叶片托架(11)与工作流体(4)屏蔽隔离开来，并且利用一支架(22)固定在外壳上，在此，输送管(8)穿过支架(22)。此外，本发明还涉及一种冷却透平机(1)上与热工作气体(4)的入流区(3)相毗邻的一个或多个透平(1)部件的方法。

Description

透平机及其冷却方法
本发明涉及一种透平机，特别是一种蒸汽透平机，它具有一外壳和至少部分利用外壳构成的工作流体入流区，本发明还涉及一种冷却方法，冷却至少一个属于透平入流区的部件。
采用高压、高温蒸汽，特别是采用例如温度超过550℃的具有所谓超临界蒸汽参数的蒸汽，有助于提高透平效率。采用具有这类蒸汽参数的蒸汽，对相应负荷的蒸汽透平，特别是对于与工作流体的入流区相毗邻的透平部件，如壳壁和透平轴，提出了更高的要求。
在D.Bergmann、A.Drosdziok和H.Oeynhausen发表于西门子动力杂志93年第1期第5～10页的论文“适用于先进的电厂方案的具有高蒸汽参数的蒸汽透平”中，描述了一种利用旋流冷却的转子屏蔽装置。在旋流冷却中，蒸汽穿过转子屏蔽装置内的四个切向孔，沿透平轴转动方向流入转子屏蔽装置与转子之间的区域。此处，蒸汽膨胀，温度降低，从而冷却了转子。转子屏蔽装置与导向叶栅气密性连接。利用旋流冷却，转子屏蔽装置周围的转子的温度下降可达约15K。对转子屏蔽装置进一步的说明在EP 0088 944 B1中已有描述，该转子屏蔽装置以一定间距包围住透平轴，并与一级导向叶片栅的导向叶片的径向内端相连。在转子屏蔽装置中装有喷嘴，沿透平轴转向看过去，喷嘴切向通入在转轴与转轴屏蔽装置之间构成的环形通道内。转子屏蔽装置的其它实施例可从DE 32 09 506 A1中获悉。
在瑞士专利文献430 757中，记载了一种在蒸汽透平入流区内的屏蔽元件。该屏蔽元件与一位于入流区中央的，即位于热工作蒸汽流内的输送管相连，该输送管用于支撑屏蔽元件。
在DE 34 06 071A1中，记载了一种双流道蒸汽透平，该蒸汽透平在热蒸汽的入流区内具有一用于透平轴的屏蔽元件。该屏蔽元件经第一级导向叶片栅与外壳相连。在屏蔽元件和透平轴之间形成一间隙。该屏蔽元件在其中心具有一热蒸汽入口，其中，流入间隙内的热蒸汽在第一级动叶片栅之前又流回到热蒸汽主流中。
本发明的目的在于，提供一种透平，它在热负荷很高的区域，特别是在工作流体的入流区是可冷却的。本发明的另一目的在于，提供一种冷却至少一个与入流区相毗邻的透平部件的方法。
本发明有关透平、特别是蒸汽透平方面的目的通过这样一种透平来实现，该透平具有一外壳，该外壳带有一至少部分利用外壳构成的工作流体入流区，其中，冷却流体的输送管设在外壳内，利用它可冷却外壳，特别是冷却与入流区毗邻的壳壁。利用带有这类冷却流体输送管的外壳制式，即使在工作流体以高于550℃的温度进入入流区时，也可显著地降低外壳的温度，由此，能够采用公知材料，特别是马氏体铬钢，或者有可能使用不耐高温的新材料。此处的冷却流体涉及带有多个透平机段的蒸汽透平设备的过程蒸汽、单独的冷却蒸汽或冷却空气。
透平机优选二者择一地具有或另外具有一个与入流区相毗邻的屏蔽元件，该屏蔽元件相对于工作流体来屏蔽一沿主轴在外壳内伸展的动叶片托架。并利用一支架固定在外壳上，在此，输送管穿过支架进入屏蔽元件内。屏蔽元件可在多处经一个或多个支架与外壳相联结。能够同时达到多种冷却效果，即对与入流区毗邻的壳壁的冷却、对支架的冷却、对屏蔽元件的冷却，进而还有对动叶片托架的冷却。利用一由多个分段构成的穿过工作流体的流动路径的输送管，可用一种冷却流体实现对透平多个组件的有效冷却。
支架优选组装在至少沿工作流体方向看过去的第一级导向叶片栅中。为了提高对第一级导向叶片栅，亦即支架的冷却(效果)，设有一根，优选为许多根支管，该支管与输送管相连，并与入流区和/或背向入流区的一侧相通。因此，可另外实现对第一级导向叶片栅的薄膜式冷却。
屏蔽元件优选同样具有至少一个与输送管相连且通向入流区的支管，这导致对屏蔽元件的薄膜式冷却，并因而间接导致动叶片托架热负荷的进一步降低。屏蔽元件可另外具有一与输送管相连的空腔，由此可避免在屏蔽元件内向动叶片托架方向的传热量增大。
利用主要制成环状的屏蔽元件，朝向动叶片托架地构成一中间腔，输送管通入其内。因而，中间腔可充满冷却流体，从而可避免由被工作流体加热的屏蔽元件向动叶片托架传热。由于屏蔽元件通过支架与外壳相连，故它与动叶片托架具有一定的间距，从而保证了冷却流体以及在外壳和动叶片托架之间流动的工作流体的流出。从中间腔优选引出一冷却流体管道，特别是一径向孔形式的冷却流体通道到动叶片托架中。这一点首先在动叶片托架由两个或多个彼此对中布置的，借助一穿过相应开口的拉杆螺栓相连的转子叶轮盘构成时，会导致进一步的冷却。此处，冷却流体进入一在拉杆螺栓和转子叶轮盘之间构成的环形腔。尤其是当设有至少一个平行于主轴的且冷却流体管道通入其内的轴向孔时，甚至一基本为单层的透平轴的冷却，当然也是可能的。
除了冷却蒸汽透平的高热负荷部件外，冷却流体输送管穿过外壳还可减小透平旋转部件(动叶、动叶托架)与固定部件(导向叶片、外壳)之间的间隙内的工作流体的泄漏。这个所谓的间隙损失可这样来减小，即利用外壳及动叶片托架内相应的支管，冷却流体可由输送管、中间腔或冷却流道内分出，并可导入这个间隙。这类支管因而优选由冷却流体输送管这样来引出，使得它通向外壳与动叶或导向叶片及动叶片托架之间的间隙。透平旋转部件与固定部件之间的无接触密封装置的密封能力因而得到显著地提高。
对冷却流体进行导向优选特别适用于透平机组，在这种透平机组中，屏蔽元件用于工作流体的分流和/或转向至主轴方向。入流区优选用于在基本垂直于动叶片托架主轴的方向上导引工作流体。这种透平机组优选为双流道蒸汽透平，特别是中压蒸汽透平，在这种透平中，工作流体既有分流，又有转向。当然，即使在单流道蒸汽透平中，在其入流区中实现这类冷却也是可能的。
如果采用蒸汽透平设备中的过程蒸汽作为冷却流体，那么，过程蒸汽就要利用不同的支管再输送给整个蒸汽循环，在此，用作冷却流体的蒸汽在流过输送管时被加热。与不采用过程蒸汽的冷却相比，这样也可以提高蒸汽透平的效率。
有关对与透平、特别是蒸汽透平的入流区相毗邻元件进行冷却的方法，按照本发明是这样来实现的，即冷却流体通过一至少部分构成入流区的外壳，被主要导入入流区四周，并从那儿输送到一屏蔽元件，以用来降低设置在外壳内的动叶片托架的热负荷。
下面借助附图所示实施例对透平及其冷却方法作进一步的说明。图示为示意性且不按比例，唯一的附图为一双流道中压蒸汽透平的纵截面局部示图。
在图中示出的透平机1的局部剖面为蒸汽透平设备的一双流道中压蒸汽透平的纵向截面。在透平外壳15内，示出了一沿主轴2延伸的动叶片托架11，它由许多转子叶轮盘29构成，为清楚起见，只示出了其中之一。拉杆螺栓28沿主轴2中心线穿过转子叶轮盘29，将其与动叶片托架11组合在一起。当然，动叶片托架11也可以与透平轴制成一个零件。利用外壳15构成工作流体4的入流区3，该入流区基本沿入流轴线17垂直于主轴2延伸。在入流区3附近，一基本同样平行于入流轴线17的冷却流体输送管8穿过外壳15。输送管8转入第一级导向叶片栅16的各导向叶片6。在导向叶片6内或在多个导向叶片内，分出支管23，通入入流区3内。除此之外，第一级导向叶片栅16还用作环形屏蔽元件19的支架22。屏蔽元件19向内拱入入流区3内，因而，既可用于工作流体4的转向，又可用来使动叶片托架11(透平转子)与工作流体4屏蔽隔离开来。从导向叶片6开始，输送管8通入屏蔽元件19中。该屏蔽元件具有一与输送管8相连通的空腔18，它基本上平行于主轴2，并且局部在入流区3的方向上被拓宽。由空腔18分出支管24通入入流区3。由此如同利用从导向叶片6分出的支管23一样，屏蔽元件19也可因此获得相应的薄膜冷却。自屏蔽元件19起，输送管8通入一位于屏蔽元件19和动叶片托架11之间的中间腔9内。进入到中间腔内的冷却流体5至少部分沿轴向方向流出中间腔9，进入到工作流体4的主流中，并因而流过由动叶片7和后面的导向叶片6a构成的透平级。自中间腔9开始，一轴向孔形式的冷却流道13进入动叶片托架11中，并在那儿进入在拉杆螺栓28和转子叶轮盘29之间构成的环形间隙27内。
利用流入内部的冷却流体5，将动叶片托架11散出的热量输送走。另外，在转子叶轮盘29及一个或多个后面的转子叶轮盘内，设有一自环形间隙27通入动叶片托架区26内的阻流道14，该动叶片托架区与导向叶片6a直接相对。由此，一冷却流体5流入在动叶片托架区26和导向叶片6a之间形成的间隙。另外，由于此处冷却流体5的阻流作用，防止了工作流体4流过这个间隙，至少是显著地减少了工作流体4流过该间隙。因此，在采用非接触式密封的情况下，另外提高了间隙损失，进而提高了蒸汽透平的工作效率。在外壳15内，设有其它冷却流体5可流过的阻流道14，将第一级导向叶片栅16范围内的输送管8和直接与动叶片7相对的外壳区域连接起来。由此，除冷却之外，通过将冷却流体5仅附加用作阻流，同样也可实现间隙密封。
本发明的出色之处在于优选对透平机组的多个部件进行冷却。这些部件与热工作流体、尤其是温度超过550℃的蒸汽的入流区相毗邻。利用布置在表面附近、朝向入流区的外壳部分内的输送管，通过导入冷却流体、尤其是蒸汽透平设备的过程蒸汽或冷却空气来实现冷却。从那里，冷却空气穿过第一级导向叶片栅，被输入固定在导向叶片栅上的屏蔽元件内。在外壳、导向叶片和屏蔽元件内，均可设有通向入流区并进而对各元件实现薄膜式冷却的支管。此外，利用由输送管分出的阻流道，冷却流体还可作为阻流输入旋转部件(动叶、动叶片托架)与固定部件(导向叶片、外壳)之间的间隙，由此显著地改善非接触密封装置的密封效果。

Claims (9)

1.一种透平机(1)，它具有一外壳(15)、一至少部分利用外壳(15)构成的工作流体(4)的入流区(3)、一与入流区分隔开的冷却流体(5)的输送管(8)、一布置在外壳(15)内且沿主轴(2)延伸的动叶片托架(11)和一布置在入流区(3)内的屏蔽元件(19)，该屏蔽元件用来使动叶片托架(11)相对于工作流体(4)屏蔽隔离开来，并且利用一支架(22)固定在外壳(15)上，其中，输送管(8)穿过支架(22)并且该支架(22)构成第一级导向叶片栅，其中，在屏蔽元件(19)和动叶片托架(11)之间构成一中间腔(9)，输送管(8)与之相通。
2.按照权利要求1所述的透平机(1)，其中，外壳(15)内的输送管至少部分通向入流区(3)周围，以对其进行冷却。
3.按照权利要求1或2所述的透平机(1)，其中，所述支架(22)至少具有一与输送管(8)相连并通向入流区(3)的支管(23)。
4.按照权利要求1或2所述的透平机(1)，其中，在屏蔽元件(19)内，至少设有一个与输送管(8)相连且通向入流区(3)的支管(24)。
5.按照权利要求1或2所述的透平机(1)，其中，一冷却流体通道(13)由中间腔(9)通入动叶片托架(11)内。
6.按照权利要求5所述的透平机(1)，其中，所述动叶片托架(11)具有至少两个通过拉杆螺栓(28)彼此相连的转子叶轮盘(29)，在此，冷却流体通道(13)通入转子叶轮盘(29)和拉杆螺栓(28)之间的环形腔(27)内。
7.按照权利要求1或2所述的透平机(1)，其中，所述屏蔽元件(19)用于将工作流体分流和/或转向至主轴(2)方向。
8.按照权利要求1或2所述的透平机(1)，其中，至少设有一阻流道(14)，它与输送管(8)相连且通向与动叶片(7)相对的外壳区域(25)，或者通向与导向叶片(6a)相对的动叶片托架区(26)。
9.按照权利要求1或2所述的透平机(1)，该透平机为一双流道中压蒸汽透平(15)。
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