CN1286739A - 透平壳体 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种透平壳体(1),它包括被外壳体(3)围绕的内壳体(2),其中,内壳体(2)和外壳体(3)分别具有第一上部分区(5)和第二下部分区(6),内壳体外表面(7)和外壳体内的表面(8)彼此相隔间距地相对。内壳体外表面(7)至少在部分第一分区(5)内向处于相对位置的外壳体内表面(8)的辐射传热至少比其在部分第二分区(6)内的要少。这可以通过在相关的区域用吸收系数和/或辐射系数(a1、a2)不同的恰当的表面涂层来达到。由此在各壳体(2、3)的上侧与下侧之间成功地实现温度平衡,从而在冷却时避免壳体翘曲变形。
Description
本发明涉及一种尤其用于汽轮机的透平壳体，它包括被外壳体围绕的内壳体。内壳体和外壳体分别具有第一上部分区和第二下部分区。这些分区往往设计为一些分离的壳体部分。在这里内壳体外表面与外壳体内表面相隔一定距离地彼此相对。
Robert Erich在热工-，制冷-和化学工程学杂志，1959年第9卷普通热工学第163至182页上的论文“测算透平壳体内的温度”中论述了起动时和在运行期间负荷改变时汽轮机各构件受到不同程度的加热。由于这些不同程度的加热使材料产生应力和变形，以及此应力叠加在因蒸汽压力引起的应力上。此论文的目的是借助于计算及测得的温度分布确定所采用的各种钢的选用准则。然后根据求得的热膨胀可以恰当确定全部所需的游隙和间隙尺寸，这些在两个有不同膨胀系数的工件组合时有特别重要的意义。除此之外，借助于如此确定的温度分布可以导出一些规程，如传统的透平应如何从冷态起加热以及应以何种速度进行负荷的改变才不致在材料内因过载引起蠕变过程。
本发明的目的是在冷却时使透平壳体只有微小的翘曲变形。
按本发明此目的通过具有权利要求1特征的透平壳体达到。在从属权利要求中说明有利的设计和进一步的发展。
本发明以下列认识为出发点，即，在具有透平外壳体和透平内壳体或导向叶片支架的汽轮机中，当透平停机后，在各壳体上和各壳体之间亦即在外壳体与导向叶片支架之间产生温度差。其结果是可能使两个壳体翘曲变形，从而导致不希望的应力和间隙减小。这意味着在不利的情况下透平叶片可能擦过壳体并造成擦伤。这种在外壳体自然冷却时产生的翘曲由于其形象故也称为“Katzbuckeln(猫背)”。
透平壳体有一个被外壳体围绕的内壳体。在下文中“内壳体”也理解为导向叶片支架。内壳体和外壳体分别分为上部的第一分区和下部的第二分区。内壳体外表面和外壳体内表面彼此隔开间距地相对。内壳体外表面和处于其相对位置的外壳体内表面至少在它们各自的部分第一分区内设计为，使它们在那里通过辐射的传热比至少在它们各自的部分第二分区内的要少。由此做到在透平停机后避免外壳体相对于内壳体过快地冷却。换句话说，假如内壳体外表面在第一和第二分区内对处于相对位置的外壳体内表面有大体相同的传热，则在上部区内会在两个相对表面构成的空隙中引发强烈的上升气流。这种上升气流将大量的热作用在外壳体的上部第一分区内。现在，按本发明在通过自然对流冷却时，由于在第一分区内的传热量较小而成功地做到了温度平衡，所以在不采取附加措施的情况下自然冷却时，上部第一分区与下部第二分区之间的温差可明显地低于迄今已知的为50K以上的温度差。
第一种特别有利的用于减小辐射传热的设计规定，内壳体在第一分区内的内壳体外表面上有第一种辐射系数，它的值小于内壳体外表面上第二分区的第二种辐射系数。业已证实有利于温度平衡的是，第一辐射系数的值小于0.5，而第二辐射系数的值大于0.5。它们也应根据内壳体和外壳体所使用的材料来考虑。也就是说为了避免壳体本身的应力，两个壳体大多各用同一种材料制造。各自的材料的辐射系数还可以借助于恰当的表面处理决定性地加以影响，例如通过有目的地表面粗糙化，以便由此获得恰当的辐射系数。优选地按这样的方式进行表面处理，即这种处理对材料性质如强度和抗腐蚀性至多只有不明显的影响。
对于内壳体外表面而言，一项充分利用上部第一分区与下部第二分区不同辐射系数的进一步改进设计规定，在第一分区内的材料的辐射系数比另一种现在涂覆在第二分区内的内壳体外表面上的材料的辐射系数小。由此便可以继续利用迄今采用的内壳体和外壳体材料。所采用的涂覆材料具有与内壳体相比为更大的辐射系数。以此方式可以增强所期望的正的辐射效果。作为要涂覆的材料优选地采用氧化物陶瓷，例如锆氧化物。此外还可以在壳体材料上采用其他具有恰当辐射特性和连接能力的涂层材料。涂层材料优选地还有在水蒸汽中的耐腐蚀性。涂层材料涂覆的层厚可例如在50μm与100μm之间的范围内。它一方面提供辐射系数特别高的特性，例如e=0.8或更高。另一方面氧化物陶瓷可以可靠地且在使用寿命期间牢固地涂覆在惯用的壳体材料例如GGG-40上。用于涂覆氧化物陶瓷薄层的恰当技术例如是等离子喷镀。此外涂覆的方式以及还有氧化物陶瓷本身均保证对于进入透平壳体内的介质有良好的耐化学腐蚀能力。在这里涂层材料优选地有一种有利于瞬时温度状态的热膨胀系数，使壳体材料破裂的危险性很小。
为实现在部分内壳体外表面第一分区内通过辐射向处于相对位置的外壳体表面的传热比在部分内壳体外表面第二分区内向处于相对位置的外壳体表面的传热小的另一项设计，至少部分外壳体内表面第二分区有比部分外壳体内表面第一分区大的吸收系数。由此同样成功地做到增加在外壳体下部第二分区内的传热量。其结果同样导致外壳体温度的均匀化。因为这样一来减小了在内壳体与外壳体之间自然对流造成的温度梯度，所以这项设计也抵消了自然对流的作用。
具有较大吸收系数的第二分区这种设计的一项进一步改进是在第二分区的外壳体内表面上有第三种材料。此第三种材料有比在第一分区内外壳体内表面的第四种材料大的吸收系数。第三种材料要么就是外壳体内表面在第二分区内的材料本身，但在这种情况下要对它的表面作适当加工处理，要么此第三种材料也可以是一种附加的材料，这种材料被涂覆在第二分区内的外壳体内表面上。使外壳体内表面上部第一分区与下部第二分区之间有不同吸收系数的另一种可能性在于，改变在上部第一分区内的外壳体内表面，使之有一个比外壳体内表面下部第二分区小的吸收系数。
下面借助于附图进一步说明本发明的实施例以及其他优点和特征，附图中：
图1示出本发明的一优选实施例，其中在外壳体内表面上涂覆一种材料；
图2为在图1所示实施例中，当透平停机后由于辐射效果并在忽略自然对流的情况下得到的温度分布图表；
图3为外壳体的透视简图；以及
图4示出本发明的另一种设计，其中在外壳体内表面上涂覆另一种材料。
图1为透平壳体1的简略示图。透平壳体1具有一内壳体2以及一个优选与之同心设置的外壳体3。也可以取代内壳体2设导向叶片支架。内壳体2与外壳体3彼此相隔一定距离，从而形成间隙4。间隙4内充填有气态介质，尤其在汽轮机中是蒸汽，这种介质是可对流的。内壳体2和外壳体3可分别分为上部第一分区5和下部第二分区6。
现在若研究通过透平壳体1的热流，则得出一个通过内壳体2的内部热流Qi和通过外壳体3的外部热流Qa。在两个壳体2、3内部进行取决于热导率的导热流。例如，外壳体3是一个采用球墨制成的铸铁壳体(GGG-40)。它的热导率约为30W/mk。外壳体3的厚度约为100至150mm。在内壳体2与外壳体3之间一方面通过对流热流Qk以及另一方面通过辐射热流Qs进行传热。辐射传热是从内壳体外表面7向外壳体内表面8进行。外壳体内表面8在上部第一分区5内具有第一吸收系数a1，它小于部分下部第二分区6内的第二吸收系数a2。为此，要么在下部第二分区6b内，要么在上部第一分区5内对外壳体内表面8进行特殊处置。在这里表示的特别有利的技术解决方案中，将第一种材料9涂覆在第二分区6内的外壳体内表面上。此第一种材料9构成一个材料厚度小的薄层，所以基于比第一吸收系数a1大的第二吸收系数a2而增加的辐射吸热，不会因过高的热阻而重新被抵消。在这里，第一种材料9沿大约90°的角度范围延伸。不过此角度范围例如取决于沿透平长度的温度梯度不能过大或过小。通过第一种材料9比第一分区5内的第二种材料10更多地吸收辐射热，使第二分区6比没有第一种材料9时吸收了大得多的热流。这就补偿了第一分区5内的对流热流Qk，以及使得透平停机时在第一分区5与第二分区6之间的温差减小。业已证明锆氧化物(ZrO2)可作为特别能承载的第一种材料9，它借助等离子喷镀以有利的方式涂覆。这样一种涂层即便厚度很小也有能力承受住间隙4内即使是腐蚀性的介质。此外，当辐射温度约为350℃时，这种氧化物陶瓷的吸收系数约为0.9，上述温度是在透平停机后的一段较长的时间内出现的。这一值比用上面所提及的材料制的外壳体3的吸收系数约0.25要高得多。此外应当注意，第一吸收系数a1以及第二吸收系数a2均取决于温度。在透平停机后的冷却过程中，随着时间的推移温度发生改变，在这种情况下锆氧化物仍满足这样的要求，即在一个宽的温度范围内有大的吸收系数。
图2表示一个XY坐标系。X轴表示图1中所示的外壳体内表面8的测量温度。Y轴用角度值表示测量地点。为了说明测量地点，在图3中示意表示的外壳体3上画有与计算网格对应的分割图。相应于图2中的Y轴，角度数据从图1中下部第二分区6内的负90°开始，向上延伸到对应图1中上部第一分区5内的正90°值。基于不同的吸收系数，仅仅由于改变了辐射条件，便使第一分区5与第二分区6之间的温度差最多为ΔT=27K。这一基于辐射引起的温差ΔT至少部分补偿了在未采用不同的吸收系数时第一分区5和第二分区6之间要不然至少为50K的大的温度差。为保证得到此结果，有利的是第一分区5内的第一吸收系数a1的值小于0.5，而在第二分区6内的第二吸收系数a2的值大于0.5。
图4表示了另一种利用热辐射补偿温差的设计。在这里为了简化在图4中凡与图1中相同的结构部分仍采用同样的附图标记。首先，外壳体内表面8在第一分区5内具有第三种材料11。此第三种材料11的第三吸收系数a3小于在第二分区6内的外壳体内表面8的吸收系数a4。此外，内壳体外表面7在第二分区6有第四种材料12。在第一分区5内的内壳体外表面7有第一辐射系数e1，它的值小于第四种材料12的第二辐射系数e2。第一辐射系数e1的值优选小于0.5，以及第二辐射系数e2的值优选大于0.5。以此方式，使得在第二分区6内从内壳体外表面7流向外壳体内表面8的辐射热流Qs比在第一分区5内的大。这一结果也仍然导致对流热流Qk由于外壳体3内温度的均匀化而得到补偿。
Claims (11)
1．一种透平壳体(1)，它包括
-被外壳体(3)围绕的内壳体(2)，其中，内壳体(2)和外壳体(3)分别具有第一上部分区(5)和第二下部分区(6)，以及
-内壳体外表面(7)和外壳体内表面(8)，它们彼此相隔间距地相对，
其特征在于：内壳体外表面(7)和处于相对位置的外壳体内表面(8)至少在它们各自的部分第一分区(5)内设计为，使它们在那里通过辐射的传热比至少在它们各自的部分第二分区(6)内的要少。
2．按照权利要求1所述的透平壳体(1)，其特征在于：至少部分外壳体内表面(8)的第二分区(6)具有比部分外壳体内表面(8)第一分区(5)大的吸收系数(a2)。
3．按照权利要求2所述的透平壳体(1)，其特征在于：外壳体内表面(8)在第二分区(6)内有第一种材料(9)，这种材料的吸收系数(a2)比外壳体内表面(8)在第一分区(5)内的第二种材料(10)的吸收系数(a1)大。
4．按照权利要求3所述的透平壳体(1)，其特征在于：第一种材料(9)涂覆在外壳体内表面(8)上。
5．按照权利要求4所述的透平壳体(1)，其特征在于：第一种材料(9)是氧化物陶瓷。
6．按照权利要求2所述的透平壳体(1)，其特征在于：在外壳体内表面(8)的第一分区(5)内涂覆第三种材料(11)，它的吸收系数(a3)比在第二分区(6)内的外壳体内表面(8)的吸收系数(a1)小。
7．按照权利要求4、5或6所述的透平壳体(1)，其特征在于：材料(9；11)借助于等离子喷镀涂覆。
8．按照上述任一项权利要求所述的透平壳体(1)，其特征在于：在第一分区(5)内第一吸收系数(a1)的值小于0.5，而在第二分区(6)内第二吸收系数(a2)的值大于0.5。
9．按照上述任一项权利要求所述的透平壳体(1)，其特征在于：内壳体外表面(7)在第一分区(5)内具有第一辐射系数(e1)，它的值比内壳体外表面(7)第二分区(6)的第二辐射系数(e2)小。
10．按照权利要求9所述的透平壳体(1)，其特征在于：第一辐射系数(e1)的值小于0.5，而第二辐射系数(e2)的值大于0.5。
11．按照权利要求9或10所述的透平壳体(1)，其特征在于：在内壳体外表面(7)上涂覆第四种材料(12)。
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