CN1231715A - 汽轮机和冷却通风运行中的汽轮机的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种汽轮机(1),它具有导向叶片(5),其中至少一个导向叶片(5a)具有空腔(6)。该空腔(6)与输入流体(8)的流体管道(7)以及与孔道(9a、9b)连接,孔道通到导向叶片(5a)的外表面(10)。本发明还涉及一种用于冷却在通风运行时的汽轮机(1)的方法。

Description

汽轮机和冷却通风运行 中的汽轮机的方法
本发明涉及一种汽轮机，它具有一沿主轴线方向定向的涡轮机转子，涡轮机转子被一内壳体围绕。在内壳体中设置一沿周向包围涡轮机转子并带有导向叶片的导向叶片结构。此外本发明还涉及一种冷却处于通风运行状态的汽轮机，尤其是低压汽轮机的方法。
例如由1985年斯图加特Teubner出版社出版的K.Menny著的“流体机械(Stroemungsmaschinen)”一书中的3.4.6节“湿蒸汽级”已知，在汽轮机尤其在所谓的湿蒸汽级中发生工作蒸汽凝结。当蒸汽在汽轮机内膨胀到低于湿蒸汽区极限曲线时，例如在凝汽式汽轮机中，存在过冷的蒸汽，它的温度低于属于水蒸发温度的饱和温度。当过冷到一定程度时自发凝结，此时形成小雾珠，它们可以水膜或一根根水丝条的形式沉降在导向叶片上。水膜从导向叶片的后缘脱离并形成直径在400μm以下的二次水滴。这些脱离的汽滴碰撞在工作叶片上时，尤其是在水滴直径在数量级为50至400μm的情况情况下会导致材料剥蚀(所谓点蚀-Tropfenschlagerosion)。为了避免这种点蚀，往往直接吸走在导向叶片表面上的水膜。为此空心导向叶片有缝，缝将其内部与汽轮机凝汽器连接。
在DE-OS1951922中提供了一种防止在汽轮机低压级中成滴的装置。为了防止成滴采取的措施是，在最后几排导向叶片的导向叶片中通过一外环输入过热蒸汽，该过热蒸汽经设计为空心的导向叶片流入内环，再从内环经一地理位置低的流出管道重新引出。通过供入过热蒸汽，导向叶片应被加热到刚好完全不会发生凝结的程度。
在奥地利专利文件250402中指出，蒸汽从前面说过的几级输入导向叶片中，并通过导向叶片内的缝重新进入蒸汽流中。在US-PS3306576中同样涉及避免在导向叶片上形成凝结水，其中，过热蒸汽输入一空心导向叶片，并由此经一些孔进入蒸汽流中。过热蒸汽将汽流加热到至少局部超过饱和温度和不再发生凝结的程度。
在日本专利申请54-141908的简短摘录(日本专利摘要，1980年1月18日，第4卷)中同样介绍了一种汽轮机的涡轮叶片，它设计为空心的并有一个为将蒸汽导出进入主汽流中的孔。
在EP0602040B1以及在相应的DE4129518A1中，介绍了一种冷却处于通风运行状态的低压汽轮机的方法，其中，汽轮机的转子在不供入要膨胀的蒸汽的情况下旋转。在以通风运行状态工作的低压涡轮中存在这样一种蒸汽环境，即，它的静压和在与低压涡轮连接的凝汽器中存在的压力相当。涡轮叶片在蒸汽上的摩擦(通风)会导致明显发热，其结果是涡轮可能被强烈加热到也许根本不允许的高温。为避免发生这种情况采取一些冷却措施，其中，在涡轮出口或如果必须使用特别高的冷却功率时在涡轮入口喷入成雾状的凝结水。凝结水汽化并与此同时降温，因此冷却了处于通风状态的涡轮。若喷雾在出口处进行，则冷却作用主要限于出口附近的涡轮部分，若喷雾在入口处进行，则聚结在入口区中的凝结水由于形成涌浪将危及涡轮的叶片。因此，按EP0602040B1，通过一位于汽轮机出口与入口之间的抽汽装置将蒸汽送入汽轮机中。以此方式使涡轮内的冷却首先针对叶片沿径向位于外面的端部，因为通过与处于涡轮内的蒸汽摩擦它们所受负荷最大。因此冷却作用基本上限于涡轮要求冷却的区域，而避免冷却涡轮的其他构件，例如涡轮轴。
向一根与抽汽装置连接的抽汽管中除蒸汽外还附加地送入凝结水，尤其是通过凝结水旁通管将凝结水喷入蒸汽旁通管和/或抽汽管中。此凝结水最好与蒸汽在一雾化喷嘴内混合，并由此雾化喷嘴喷入抽汽管内。采用分布成细滴状的且其小滴直径小于约0.1mm的凝结水达到极高的冷却效果。这种冷却过程的控制通过在抽汽装置与出口之间的温度测量点进行，其中，根据测得的温度，调整向抽汽装置供入的蒸汽或供入的蒸汽-凝结水混合物。向抽汽管供入的蒸汽或蒸汽-凝结水混合物的量，大约在汽轮机功率运行时汽流量的1％数量级内。用于冷却的蒸汽来自凝结水水箱，它用于凝结水的收集、加热和除气。来自通常为了凝结水除气的目的其中输入加热用蒸汽的凝结水水箱的蒸汽，由于蒸汽与凝结水共存所以是饱和的，甚至可能搀有细分的凝结水，因此特别适用于喷入通风状态的涡轮中。此外，可以从排汽管抽取蒸汽，在通风运行时蒸汽通过排汽管在低压涡轮旁流过。这种排汽管例如导引蒸汽从设在低压汽轮机上游的高压汽轮机或从一个由高压汽轮机与中压汽轮机组成的装置绕过低压汽轮机到加热装置或类似装置，蒸汽在那里可以冷却和凝结。为了获得蒸汽-凝结水混合物，要送入抽汽装置中的蒸汽可从这种加热装置中提取。蒸汽同样可以直接从低压汽轮机上游的高压或中压汽轮机提取，或间接地例如通过由它们供给的预热器等提取。这种蒸汽通常有足够高的内压，所以可以在没有单独的泵或类似装置的情况下供入处于通风状态的汽轮机中。
本发明的目的是提供一种汽轮机，它可按简便和有效的方式在通风运行状态得到冷却和/或至少可简单和有效地避免在导向叶片上发生凝结。本发明另一个目的是提供一种冷却处于通风运行状态的汽轮机的方法。
本发明有关汽轮机方面的目的是这样来实现的，即汽轮机的至少一个导向叶片具有空腔，该空腔与供入冷却流体的流体管道连接并从此空腔至少分出一个孔形管道，此孔道通到导向叶片的外表面上。
在空负荷和/或低负荷运行(通风运行)时，尤其低压汽轮机后几个叶片排的叶片被加热。在这样一种通风运行时形成河湾化曲流，它少有有效的回流。将细雾化的水或湿蒸汽，通称冷却流体，经孔道供入汽轮机内，促使逆出口而上冷却导向叶片和工作叶片。因此，水滴汽化促使有效冷却尤其是后几个在通风运行时受到最严重加热的低压叶片排。在这种情况下汽轮机可通过将流体转换地输入流体管道中，一方面在正常的功率运行状态借助于供入过热流体局部加热，以避免工作蒸汽在与此流体管道连接的导向叶片上凝结，另一方面，在通风运行状态时借助于供入冷却流体例如水或湿蒸汽进行冷却。孔道在外表面上最好设计为孔，尤其是具有近似于圆形或椭圆形横截面的孔。
流体，最好是过热蒸汽可经空腔通过孔道，尤其是孔汇入工作汽流。通过蒸汽经许多细孔道供入及由此造成的对导向叶片的加热，造成一个蒸汽垫，它能防止大量水滴凝聚在叶片表面上。将过热蒸汽搀入导向叶片外表面的周围环境中，尤其减小了湿蒸汽的份额，否则例如在低压汽轮机最后的那个低压导向叶片排处，湿蒸汽的比例可能会很高。因此至少显著降低了点蚀的危险。空心导向叶片最好设在后几个导向叶片排之一中，尤其是在倒数第三排、倒数第二排或最后一排导向叶片中。
汽轮机的导向叶片最好与用于导引所需流体的外环腔连接，流体管道通入其中。因此可通过简单的方式向一个导向叶片排的全部导向叶片供入流体。为了引出凝结水，外环腔在其位置低的区域内最好有一排水管。流体管道则相反，最好在地理位置高的区域内与外环腔连接。为了简化结构和为了提高热机械稳定性以及为了导引冷却流体或加热用流体，令导向叶片与一内环腔连接。因此尤其对其空腔从外环腔延伸到内环腔的导向叶片而言，流体既可以从内环腔也可以从外环腔输入各导向叶片中。
汽轮机最好在功率运行期间能与流过过热蒸汽的系统部件，例如高压汽轮机相连接，和/或在通风运行期间与流过水，尤其是凝结水或湿蒸汽的系统部件，例如凝汽器、预热器、热交换器等连接。在流体管道与相应的系统部件之间的相应的连接管道，可通过适当的伺服机构、截止阀接通或切断。也可以设一中央伺服机构，它与不同的加热用流体和冷却用流体的输入管连接并与流体管道连接。根据需要，可通过此伺服机构，从一根或多根输入管将具有所需压力和温度状态的流体供入流体管道中。
孔道最好在吸入侧通入在导向叶片外表面的进汽边缘区内，因此，在通风运行时，冷却流体从进汽边缘经导向叶片吸入侧的整个表面朝出口边方向扩展成所谓的冷却膜。在功率运行时，加热用流体与工作蒸汽同样在一个围绕导向叶片表面的区域内混合，因此有效避免了，至少明显地减少了形成较大量的凝水滴。
本发明有关用于冷却处于通风运行状态下的汽轮机的方法方面的目的是这样来实现的，即，在导向叶片空腔内导入冷却流体，尤其是湿蒸汽或凝结水，它们通过孔道尤其是许多小孔流出到导向叶片外表面。尤其在低压汽轮机后几个叶片排中这将导致有效地冷却叶片。在EP0602040B1中也指出了有关此方法的实施。空心导向叶片最好设在最后三个导向叶片排之一中。
此外，还可以采取下述措施减少在功率运行时工作蒸汽在汽轮机导向叶片上的凝结，即，在这种情况下向导向叶片空腔供入加热用流体，尤其是过热蒸汽，它通过孔道流出到导向叶片外表面，并在那里以及必要时在导向叶片整个外表面与工作蒸汽搀合。加热用流体一方面促进对导向叶片的加热，另一方面与工作蒸汽搀合导致加热工作蒸汽。两种效果即使没有完全避免也有助于明显减少在导向叶片上生成凝结水滴。因此实际上排除了在设在导向叶片下游的工作叶片上被点蚀的危险。
下面借助于附图中表示的实施例进一步说明汽轮机、在通风运行时的冷却方法以及在功率运行时减少凝结的方法。附图以局部示意和非比例的方式表示：
图1示出具有低压汽轮机的电厂系统；
图2示出低压汽轮机的纵剖面；
图3示出低压汽轮机最后一个导向叶片排的横截面；
图4为导向叶片局部透视图；以及
图5示出图4所示导向叶片的横截面。
图1示意表示热力发电厂的局部，它包括高压汽轮机17a、低压汽轮机1、凝汽器18a和凝结水水箱36；热电厂的其他组成部分，例如锅炉或发电厂，在图中没有表示。图示的热电厂部件通过蒸汽连接管道28和凝结水管道29相互连接起来。在凝结水管道29中插接有一凝结水泵37。在高压汽轮机17a与低压汽轮机1之间的蒸汽连接管道28中，有一个通常由活门构成的转换器，借助它，从高压汽轮机17a流出的过热蒸汽可通过另一根蒸汽连接管道28导出到热交换器31去。因此根据转换器30的调节位置，低压汽轮机1可不加入过热蒸汽。在低压汽轮机1旁流过的蒸汽在热交换器31中凝结，并作为凝结水流入凝结水水箱36。
低压汽轮机1与高压汽轮机17a刚性连接，所以图中没有表示的两个汽轮机1和17a的转子同步旋转。若从高压汽轮机17a流出的蒸汽在低压汽轮机1旁流过，也就是说当低压汽轮机处于无负荷运行状态旋转时，在低压汽轮机1中，由于那里存在与凝结水水箱36中的蒸汽压力相等的静压而产生摩擦。为了将流体引入低压汽轮机1，在用来加入工作蒸汽的入口33与通过它将在低压汽轮机1内膨胀后的蒸汽导往凝汽器36的出口34之间设一流体管道7，它与导向叶片5a的空腔6(见图2、3)连接。在凝结水水箱36中，凝结水借助于蒸汽加热，蒸汽通过加热用蒸汽管道32从高压汽轮机17a输入。在凝结水水位上方的凝结水水箱36内有充满蒸汽的蒸汽腔42。蒸汽从蒸汽腔42抽出并通过蒸汽旁通管38输入流体管道7。此外，通过凝结水旁通管39将凝结水从凝结水水箱36输入流体管道7。加热用蒸汽管道32的支管经相应的阀27与流体管道7连接。蒸汽旁通管38以及凝结水旁通管39分别同样具有一阀27并与流体管道7连接。所有的阀27经控制线41与低压汽轮机1中的温度测量点40连接。因此，供入流体管道7并经导向叶片5a供入低压汽轮机1中的凝结水和来自蒸汽腔42的蒸汽以及来自高压汽轮机17a的过热蒸汽，它们的量都可以调节。由此，在通风运行时，即无能量输出时，可以实施低压汽轮机1有控制的冷却，以及可以实施将过热蒸汽输入导向叶片5a以便减少工作蒸汽的凝结。
若没有可供提取蒸汽或凝结水用的凝结水水箱36，则蒸汽也可从例如热交换器31或从图中没有表示的配属于高压汽轮机17a的预热器中提取。
图2表示一双流道低压汽轮机1的局部剖面，它具有一沿主轴线2定向的涡轮机转子3，转子上带有工作叶片24。涡轮机转子3支承在涡轮轴承22中并相对于汽轮机1的内壳体4用转子密封装置23密封。沿轴向交替地排列与内壳体4连接的导向叶片5和转子3的工作叶片。最后一个低压导向叶片排(导向叶片结构11)的导向叶片5，尤其是导向叶片5a，例如设计为沿轴向倾斜和沿周向弯曲的空心导向叶片。导向叶片排的导向叶片5、5a焊接在内壳体4同样是空心的外环12上，以及与邻近转子3并围绕着转子的内环16焊接，从而互相连接起来。低压汽轮机1沿轴向流过工作蒸汽19，工作蒸汽通过排汽接管20垂直地从汽轮机1排出。导向叶片5a在吸入侧其进汽叶缘26附近有一些最好基本上朝向外环腔12的孔道9b，以及在扩压侧有孔道9a(见图4、5)，流体8可通过它们流入工作蒸汽19的流动区内。
图3表示汽轮机1最后一个导向叶片排的导向叶片结构11的横截面。在外环腔12的一个地理位置较高的区域15中通入流体管道7，它可借助于阀27关闭。与外环腔15焊接的导向叶片5a沿径向朝涡轮机转子3的主轴线2的方向延伸。它们与围绕着涡轮机转子3的内环腔16焊接。导向叶片结构11由两半配合准确的部件组成，这两半部件在接缝25处互相接合。在外环腔12地理位置最低的区域13中设有一排水管14。在通风运行期间，凝结水和/或湿蒸汽可通过流体管道7引入外环腔12内。此蒸汽8经空腔6(见图4、5)进入导向叶片5a。空腔6最好从外环腔12沿中心线21穿过整个导向叶片5a一直延伸到内环腔16。在吸入侧和扩压侧(见图4、5)设孔道，尤其是孔9a或9b，它们使空腔6与导向叶片5a的外表面10连通。流体8，即湿蒸汽和/或凝结水，由这些孔道9a、9b从导向叶片5a流出。在汽轮机1的通风运行状态，流出的流体8促使导向叶片5a冷却，尤其是沿其外表面10构成一冷却膜。在汽轮机1的功率运行状态，通过流体管道7往空腔6中输入过热蒸汽，它在外表面10与工作蒸汽19搀合，并尤其在工作蒸汽是饱和蒸汽时导致明显地提高工作蒸汽19的温度。此外，输入的过热蒸汽使导向叶片5a加热，所以即使没有完全避免也能明显减少尤其在导向叶片5a的出口边形成凝结水滴。
本发明的特征在于，低压汽轮机的导向叶片，尤其是最后三个导向叶片排中的一个排或多个排的导向叶片具有空腔，孔道从空腔通到该导向叶片的表面。在通风运行期间，冷却流体，尤其是湿蒸汽或凝结水可经一流体管道输入此空腔；而在功率运行时，可经此流体管道向空腔中输入过热蒸汽。因此采取简单措施就能有效地实现在通风运行时冷却导向叶片，在功率运行时加热导向叶片和加热工作蒸汽，以避免在导向叶片上形成凝结水。

Claims (12)

1．一种汽轮机(1)，其具有一沿主轴线(2)定向的涡轮机转子(3)，该涡轮机转子被一内壳体(4)围绕，在该内壳体(4)中设置一沿周向包围涡轮机转子(3)并带有导向叶片(5)的导向叶片结构(11)，其中，至少一个导向叶片(5a)具有一空腔(6)，它与输入冷却流体(8)的流体管道(7)连接并从此空腔至少分出一个孔形管道(9a、9b)，此孔道通到导向叶片(5a)的外表面(10)。
2．按照权利要求1所述的汽轮机(1)，其中，所述导向叶片(5、5a)与一外环腔(12)连接，流体管道(7)通入该外环腔内。
3．按照权利要求2所述的汽轮机(1)，其具有一根从外环腔(12)地理位置最低区(13)引出的排水管(14)。
4．按照权利要求2或3所述的汽轮机(1)，其中，流体管(7)通入外环腔(12)内地理位置高的区域(15)中。
5．按照权利要求2至4中任一项所述的汽轮机(1)，其中，导向叶片(5、5a)与一内环腔(16)连接。
6．按照上述任一项权利要求所述的汽轮机(1)，其中，导向叶片结构(11)的导向叶片(5、5a)成弧形，尤其沿轴向倾斜并沿周向弯曲。
7．按照上述任一项权利要求所述的汽轮机(1)，在功率运行时，它与一流过过热蒸汽的系统部件(17a)连接，和/或在通风运行期间，它与一流过水、尤其是凝结水，或湿蒸汽的系统部件(18a、18b)连接。
8．按照上述任一项权利要求所述的汽轮机(1)，其中，所述空腔(6)穿过整个导向叶片(5a)沿一条从内壳体(4)到涡轮机转子(3)定向的中心线(21)延伸。
9．按照上述任一项权利要求所述的汽轮机(1)，其中，所述孔道(9b)在吸入侧通入导向叶片(5a)进汽边缘(26)区域内。
10．按照上述任一项权利要求所述的汽轮机(1)，其中，所述孔道(9a、9b)在导向叶片外表面(10)设计为接近圆形或椭圆形的孔。
11．一种冷却通风运行时的汽轮机(1)、尤其是低压汽轮机的方法，该汽轮机具有一沿主轴线(2)定向的涡轮机转子(3)，该涡轮机转子被一内壳体(4)围绕，在该内壳体(4)中设置一沿周向包围涡轮机转子(3)并带有导向叶片(5)的导向叶片结构(11)，其中，至少一个导向叶片(5a)具有一空腔(6)，往该空腔中输入一种流体(8)，尤其是湿蒸汽或凝结水，流体(8)通过孔道(9a、9b)流出到导向叶片(5a)外表面(10)上。
12．按照权利要求11所述的方法，其中，流体(8)输入沿流动方向为最后几个导向叶片结构(11)之一中。
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