CN1802489A - 涡轮机 - Google Patents

Abstract

环形或环形段形状的空腔(2，7)优选设置有适当的装置，以用于对形成温度分层进行补偿，该空腔特别是形成于涡轮机的多壳(11；12，13)外壳中。根据本发明，一溢流通道(14)将空腔中位于不同圆周位置处的两个点彼此连接。一喷射器(17)设置在该溢流通道(14)中，其可以通过动力流体进行工作，并驱动流体从上游端(15)向着下游端(16)流过该溢流通道。

Description

涡轮机

技术领域

本发明涉及一种如权利要求1的前序部分所述的涡轮机。还涉及一种操作这种涡轮机的方法。

背景技术

如燃气涡轮和蒸汽涡轮之类的涡轮机的外壳和转子的“弓垂(bowing)”现象被普遍公知。这是由这种涡轮机的较大和较高质量的结构所引起的，该结构在长时间工作之后储存大量的热量。在冷却期间，在较大的流动通道中产生明显的垂直温度分层，并且该温度分层导致静态和转动部件中具有不均匀的温度分布，由于不同的热膨胀系数，这导致外壳和转子的变形以及从转动对称的预期几何形状偏离。在现代涡轮机中具有不可避免的小间隙尺寸的情况下，可以导致转子在外壳中堵塞，这对启动有效性产生不利影响，并且另外能够危及机械完整性。因此，在例如US 3,793,905或US 4,854,120中已经公开了用于轴转动或“轴分度”的系统。在这种情况下，在停止之后，涡轮机的转子还以相当的速度转动。此处，如已知的轴分度中那样，在1rev/min以下区域中的低速是优选的。一方面，为了使转子的冷却在圆周方向更加一致，这一点是足够的；另一方面，在冷空气的相关输入和热振动的情况下，速度足够低，从而不引起例如通过燃气涡轮的热气通道的任何明显轴向流动。

在承受高热负载的部件中，现代燃气涡轮经常设置有双壳外壳。在这种情况下，在内壳和外壳之间形成有环形空间，在工作期间允许冷却空气或其他冷却剂进入该环形空间。在没有进一步措施的情况下，在燃气涡轮已经停机之后，在环形空间中形成垂直温度分层，并且该温度分层导致外壳变形。

DE 507 129和WO 00/11324提出，为了由中间空间内部的强制气流扰乱该稳定的温度分层，在涡轮机的双壳外壳中设置装置。在这种情况下，关键是提出将环形空间外部的流体从环形空间的一点输送至环形空间的另一点，以使得补偿气流在环形空间内部减弱。在这种情况下，该公开文件提出了优选设置在机器外壳的外部的溢流通道结构，该溢流通道将外壳位于不同圆周位置处的两个点彼此连接，以及用于在该溢流通道内部驱动补偿气流的循环鼓风机结构。在实践中，循环鼓风机的驱动往往成为问题。鼓风机的驱动轴在工作状态下必须可靠地密封，该驱动轴从设置在溢流通道外部的电机通向设置在内部的鼓风机叶轮。考虑到普遍存在的高压和高温，只有通过较大的费用才能实现该目的，并且在长期工作期间具有失灵的潜在危险，其中在现代燃气涡轮中高压可以很容易达到大约30巴以上，并且在蒸汽轮机中甚至可以更高，高温甚至在冷却空气中可以达到500度。

发明内容

本发明的目的是提出一种说明书开始部分提到的涡轮机，它能够避免现有技术的缺陷。

根据本发明，该目的通过权利要求1的所有特征实现。

因此，本发明的本质在于，将喷射器设置在溢流通道内部，如果需要的话，可以通过喷射器引导动力流体流，用于驱动流体通过溢流通道。因此，不需要密封穿过溢流通道壁的可移动部件的导向通道。另一方面，由于引导通过喷射器的动力流体的质量流明显小于溢流通道的设计质量流，并且另一方面，通过喷射器的流速仍然较高，所以基本小于溢流通道的流体横截面有利地用于喷射器的进料管线。典型地，喷射器的设计质量流大约在溢流通道的设计质量流的8％和15％之间，尤其是10％。于是，喷射器流入管线可以通过单向和/或关断元件以基本较简单的方式与空腔的容积隔绝。而且，由于喷射器流体基本起到动力流体的作用，并且可以使用外部辅助介质，所以在适当的驱动源的选择上具有较大的范围。于是，喷射器流动不必须由鼓风机驱动，而是可以很容易地使用来自压缩空气系统的空气或锅炉的蒸汽。由于在涡轮机已经停机之后，该系统在设备停止时工作，所以在喷射器的工作期间基本保持环境压力。于是，甚至不需要严格要求用于使气流通过喷射器的动力流体的供给压力。在空气作为喷射器的动力流体并且空腔中为大气压的情况下，在喷射器中已经实现动力流体的供给压力大约为1.7巴的临界状态。在本发明的优选实施例中，选择喷射器的动力流体源，以使得动力流体的供给压力为空腔中压力的1.3至3倍，优选是1.5至2倍。而且，优选的是，溢流管线中的气流每分钟循环空腔的容积4至8次，优选为大约6次。在本发明的特别优选的实施例中，空腔的容积大约11秒钟循环一次。已经发现，这种循环速度导致了空腔中温度分布的特别良好的匀化作用。

根据本发明的设备优选以这样的方式操作，以使得当涡轮机停止时，尤其是在停机之后的涡轮机的冷却阶段期间，作为动力流体的流体经过喷射器引导到溢流通道中，并驱动其中的流动，空腔中的气体利用它进行循环。于是，流体质量流穿过喷射器供给到空腔，在本发明的优选实施例中，每秒钟的流体质量流在空腔内容物的0.5％至2％的范围内，并且优选在空腔内容物的1％左右，这样空腔中的内容物在50至200秒的范围内交换一次。于是，与现有技术相反，它不是完全封闭的系统。所使用的动力流体可以是环境空气或者来自辅助空气系统的空气，例如仪表气源。为了帮助使得温度分布更加一致以及为了缩短冷却阶段，其可以很容易地以有利的方式使用。如果流体在空腔外壳底部的点处漏出，并通过喷射器流入物与冷的环境空气混合，并且如果该混合溢流再次导入空腔的顶部中，则有助于位于顶部的外壳部件中的辅助、特别理想的冷却。基于从外侧供入的动力流体流的辅助冷却效果导致适当设计、特别是所希望的位置即顶部中的辅助冷却简化，其往往处于较热的一侧。在本发明的另一实施例中，喷射器的动力流体经过预热；在该过程中，它可以导向经过或穿过涡轮机的进一步受热部件。为了补偿，介质当然也必须从空腔中流出；这优选通过涡轮机的冷却剂通道实现。

该空腔特别形成在涡轮机的内壳和外壳之间，于是例如在燃气涡轮的燃烧室壁和外壳之间。在这种情况下，空腔被设计成具有基本环形的横截面，尤其是圆环面，或者具有环形段形状的横截面。该溢流通道有利地设置在涡轮机的外壳外部。这确保了良好的可接近性并有助于现有设备的改型能力。该溢流通道有利地将基本沿对角相对的圆周位置处的空腔的两个点彼此连接。该溢流通道的孔口有利地设置在空腔的不同大地高度处，溢流通道的下游端有利地设置在较高的点处，喷射器将气流驱动到该下游端处。该布置利用空腔内部流体的密度差。在本发明的特别优选的实施例中，溢流通道的孔口设置在空腔中位于最高点的圆周位置处和位于底部最远点的圆周位置处，溢流管线中的气流从底部导向到顶部，如从空腔的“底板”流动到其“天花板”那样。于是，在设备工作期间，比较冷的流体从空腔的底部输送到溢流通道中，并在其中与喷射器的动力流体混合，该动力流体基本上更冷。在流出物进入空腔的点处，在其顶部，流体温度较高，并因此具有较低的密度。随后导入的较冷流体沉降并因此导致空腔中的补偿气流。该补偿气流甚至自动循环到特定程度：涡轮机外壳的空腔的顶部和底部之间的温度差越大，驱动气流的密度差越大。也就是说，在空腔中温度分布越不均匀，导致用于使温度更加均匀的补偿气流的驱动力越大。

在本发明的另一优选实施例中，溢流管线在空腔中开口，并具有限定的流出横截面。该流出横截面尤其制造成使得流出介质以空腔的圆周方向的至少一个速度分量定向。这具有将气流限定在空腔中的优点。起到排放导向装置作用的该流出横截面基本在圆周方向上敞开或者使得流出方向在轴向上相对于空腔的圆周倾斜小于30度、优选小于10度的角度。在特别优选的实施例中，流出横截面被设计为喷嘴，以使得它起到喷射器的作用，并将流体驱动到空腔中。尤其是，与限定流出方向的轴向装置组合以及在轴向延伸的空腔的情况下，本发明的优选实施例中的溢流通道的孔口处于不同的轴向位置。于是，所得到的穿过空腔的螺旋气流使得温度分布在轴向和圆周方向更加均匀。

在本发明的结构中，空腔具有用于吸出流体的开口，流体能够通过该开口从空腔中流出。当流体从外部供给时，这尤其有利。该开口优选对称地设置在周向上，例如以环形间隙、环形段形状的间隙或孔的形式分布在周向上。该开口流体连接到燃气涡轮的热气通道上，从而位于空腔中并且由新供给的流体使之移动的流体能够流出到热气通道中。在该连接中，词语“热气通道”指从进入第一涡轮导向行垂直向上到达废气扩散器的整个流动通道。尤其是，例如能够经过第一涡轮导向行的冷空气通道和冷却开口将流体吸入到热气通道中。

附图说明

下面参照附图对本发明进行更加详细的解释，其中：

图1示出了燃气涡轮的热模块的一部分；

图2以剖视图示出了本发明的图1所示燃气涡轮的实施例的第一个例子；

图3以剖视图示出了本发明的图1所示燃气涡轮的实施例的第二个例子；

图4示出了本发明的另一优选实施例。

当然，下述附图仅仅表示说明性的例子，其无法表示本发明的所有实施例，在权利要求中向本领域的技术人员说明了其特征。

具体实施方式

本发明将在下文中对涡轮机进行解释。因此，图1中示出了燃气涡轮的热模块，其仅仅示出了位于机器轴线10上方的部分。如EP 620362所公开的那样，图1中所示的机器为具有“顺序燃烧室”的燃气涡轮。尽管其功能对于本发明不是最重要的，但是鉴于完整性，可以概括地进行说明。压缩机1吸入空气质量流并将其压缩至工作压力。经压缩的空气流过压力通风室2进入第一燃烧室3。大量燃料引入其中并在空气中燃烧。所产生的热气在第一涡轮4中部分膨胀，并流入第二燃烧室5中，该燃烧室称之为SEV燃烧室。部分膨胀的热气仍然较高的温度使供给到该处的燃料点燃。再次受热的热气在第二涡轮6中进一步膨胀，机械输出传递至轴9。在工作期间，在最后的压缩机级中已经普遍达到几百度的温度，在燃烧室3、5和涡轮4、6的区域中甚至更高。在这种机器已经停止之后，大质量的转子9、例如质量为80吨的转子经过长时间工作储存了大量的热量。在机器的流动横截面中，至少在具有水平机器轴线的燃气涡轮的常规设备中，在机器静止时的冷却期间产生明显的垂直温度分层。该温度分层导致外壳和转子的底部和顶部以不同的速度冷却，这使得部件发生称之为“弓垂”的变形。

在作为例子所示出的燃气涡轮中，在环绕燃烧室3、5的空腔2、7的区域中在所有情况下均能实现本发明。图2中的剖视图为高度示意性的，并能够表示第一燃烧室3的区域中和第二燃烧室5的区域中的截面。在燃气涡轮的外壳11和燃烧室壁12、13之间形成有各环形空腔2、7，这些空腔也可以称之为内壳。在机器已经停止之后，储存在构件9、12、13中的相当一部分热量经过外壳11消散。在该过程中，空腔2、7中的液体因为密度不同而往往形成上述稳定的温度分层，本发明的目的当然是避免这种情况出现。在所示用于本发明实施例的例子中，外壳设置有泄放点15，该泄放点连接到溢流管线14的第一上游端。溢流管线的第二下游端16在与泄放点15基本对角相对的点处再次通向空腔。为了驱使流体通过溢流管线，具有喷射器的喷射泵装置17设置在溢流管线中。对于压力介质，每秒钟均从任何预期气源将动流体质量流18导向到喷射器，并以较高速度流动，这使得位于溢流管线中的其它流体进入，并且因此减少了经过溢流管线的气流。由于该实施例类似于喷射泵，所以进入的流体的质量流是动力流体质量流的数倍；典型地，在本发明的优选实施例中，所驱动的质量流为动力流体质量流的大约10倍。从上游端15到下游端16的流动方向由喷射器的定向预先确定。在示范性实施例中，上游端的孔口设置在位于最低处的点处，并且下游端16的孔口设置在位于最高处的点处。于是，将位于空腔中的最冷的流体吸入到溢流管线14中。该流体与动力流体质量流18混合，该动力流体质量流通常甚至更冷；例如，这可能包括经过输送鼓风机或压缩机20送入的环境空气。然而，在溢流管线的下游端处排放的流体比位于空腔中顶部点处的流体具有更大的密度。因此，在空腔中发生沉降运动，并且该沉降运动进一步加强了补偿气流19。该补偿气流是所有气流中最大的，也就是说，空腔中的密度差越大，温度分层越明显。于是，该系统稍微进行自动调整，并且补偿气流19越加强，温度分层越明显。一旦该流体在空腔中停留大约8至15秒钟，则优选重新循环。上述动力流体质量流导致，为了使新鲜流体经过喷射器17流入，容纳在空腔中的流体每80至150秒钟便进行交换。这可能导致机器构件的意外快速冷却。当然，为了减弱该冷却，也可对喷射器的动力流体进行预热。在燃气涡轮机组的工作期间，本发明所述设备有利地不工作。这样，空腔中的温度保持在大约350至500摄氏度的通常范围内，并且压力通常在12巴至30巴。这种情况通常也基本在溢流通道14中普遍存在。因此，本发明特别有利的是，与现有技术相比，在承受高热和高压载荷的部件中不设置可移动部件，并且没有必须进行密封的可相对移动的部件，如循环鼓风机的驱动轴。于是，动力流体鼓风机20可以设置在承受低热和低压载荷的点处，该动力流体鼓风机一方面增大整个系统可靠性，另一方面是减少费用和成本的因素。或者，该动力流体当然可以来自于压缩空气系统。设置有用于在燃气涡轮机组工作期间将动力流体源与高压和高温隔绝的单向元件23和关断元件24。

图3所述实施例与前述例子的区别在于，流动导向装置21设置在溢流管线14的下游端处，并且在这种情况下设计成一喷嘴，以使得以类似喷射器方式起到在空腔2、7中用于循环流体19的动力流体的作用。于是，可以在空腔中产生导向流动。

当具有如图4中所示结构时也非常有利。在图4中示出了环形空腔的透视图。只是将内边界12、13示意性地示出为实心圆柱体。空腔2、7形成在该内边界和外壳体11之间。三个喷射器21经过外壳体11沿轴向分布，在附图中看不见这些喷射器21，其用虚线示意性地进行表示。这些喷射器以这样的方式设置，以使得动力流体22的吹出方向的定向相对于点划线U所示的圆周方向在轴向上倾斜角度α。为了特别激励主要期望的周向气流，可以将该安装角限定在30度以下，尤其是小于10度。因此产生穿过空腔的螺旋流(未示出)，并且该螺旋流也有助于避免可能发生的轴向温度梯度。而且，如果溢流管线的下游端和上游端设置在不同轴向位置处，这将是有帮助的。

本发明决不限制用于位于外侧最远端的空腔2、7中。本发明可以以非常简单的方式实施，以用于燃烧室3、5或者形成在外壳元件12、13和轴9之间的空间。

本领域的技术人员将很容易认识到，本发明的用途决不限制于燃气涡轮，而是可以用于多种其它应用。本发明的用途当然也不限制于图1中所示的燃气涡轮，它也可以用于只有一个燃烧室或者具有两个以上燃烧室的燃气涡轮。尤其是，本发明也可以在蒸汽涡轮中实施。

附图标记列表

1    压缩机

2    空腔、压力通风室

3    燃烧室

4    第一涡轮

5    燃烧室

6    第二涡轮

7    空腔

9    轴

10   机器轴线

11   外壳、外壳体、外壁

12   内壳、内壁、燃烧室壁

13   内壳、内壁、燃烧室壁

14   溢流管线

15   泄放点

16    溢流管线的下游端

17    喷射器装置

18    动力流体流

19    补偿流

20    动力流体鼓风机

21    流动导向装置、喷射器

22    排放流

23    单向元件

24    关断元件

U     圆周方向

α          相对于圆周方向的安装角

Claims (16)

1.一种涡轮机，其具有至少一个空腔(2，7)，该空腔具有环形或环形段形状的横截面，一溢流通道(14)被设置成将位于不同圆周位置处的空腔的两个点彼此连接，其特征在于，在该溢流通道的内部设置有喷射器(17)，以用于驱动流体从该溢流通道的上游端(15)向着下游端(16)流过该溢流通道(14)。

2.如权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，该溢流通道设置在该涡轮机的外壳(11)的外部。

3.如前述权利要求中任意一项所述的涡轮机，其特征在于，该溢流通道在该空腔中的两个基本对角相对的点处通向该空腔。

4.如前述权利要求中任意一项所述的涡轮机，其特征在于，该溢流通道在布置于不同大地高度上的两个位置处通向该空腔。

5.如权利要求4所述的涡轮机，其特征在于，该溢流通道在该空腔的最高点和最低点处敞开。

6.如权利要求4或5所述的涡轮机，其特征在于，该溢流通道的下游端设置在较高点处。

7.如前述权利要求中任意一项所述的涡轮机，其特征在于，在该溢流通道(14)的下游孔口(16)处设置有排放导向装置(21)，该溢流通道通过该排放导向装置在该空腔中敞开，并且该排放导向装置对排放流(22)施加限定的流向。

8.如权利要求7所述的涡轮机，其特征在于，该排放导向装置的流出方向基本上沿该空腔的圆周方向(U)取向和/或相对于该空腔的圆周方向以小于30度、优选小于10度的角度(α)沿轴向倾斜。

9.如权利要求7或8所述的涡轮机，其特征在于，该排放导向装置(21)为喷嘴。

10.如前述权利要求中任意一项所述的涡轮机，其特征在于，该溢流通道的孔口设置在该溢流通道的不同轴向位置处。

11.如前述权利要求中任意一项所述的涡轮机，其特征在于，用于从该空腔吸出流体的开口设置在该空腔中。

12.一种操作如前述权利要求中任意一项所述涡轮机的方法，其特征在于，当该涡轮机停止时，尤其是在停机之后的冷却阶段中，流体通过该喷射器流入该溢流通道中，并由此驱动溢流通道中的流体流动。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，流过该溢流通道的质量流被这样分配，以使得该空腔的容积被每分钟循环4至8次，优选为6次。

14.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，通过该喷射器的质量流在通过该溢流通道的质量流的8％和15％之间，优选为10％。

15.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，流体通过该涡轮机的冷却剂通道从该空腔中流出。

16.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，在流入该喷射器之前，对流体进行加热。

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