CN1092746C - 汽轮机 - Google Patents

Abstract

一种汽轮机其包括：一个高压鼓筒式结构的涡轮机段，其具有高压蒸汽入口和高压蒸汽出口；一个中压箱室式结构的涡轮机段，其具有中压蒸汽入口和中压蒸汽出口；以及一中间加热装置；所述中压箱室式涡轮机段与所述高压鼓筒式涡轮机段这样流体连通，即从所述高压蒸汽出口通过所述中间加热装置到所述中压蒸汽入口。

Description

汽轮机

                             技术领域

本发明涉及一种汽轮机，该汽轮机具有一个高压涡轮机段和一个与前者有流体动力联系的中压涡轮机段。

                             背景技术

公知的汽轮机分成冲动式涡轮机(也称等压式涡轮机)和反力式涡轮机(也称过压式涡轮机)。它们具有一个涡轮机轴及一个内壳；在涡轮机轴的上面安装了工作叶片，而在内壳内在轴向间隔设置的工作叶片之间安装了导向叶片。

在一冲动式涡轮机中，在那些因导向叶片而收缩的通道中，总的能量降基本上被转换成流体动能。在此，速度提高而压力下降。工作叶片中的压力-及相对速度基本保持常量，这一点通过等内径的通道而实现。因为相对速度的方向发生变化，所以产生了作用力，它们驱动工作叶片并因此引起涡轮机轴转动。在工作叶片被绕流时流体的绝对速度值大大降低，由此流体将其大部分动能传递给工作叶片并由叶片传递给涡轮机轴。

在一反力式涡轮机中，在流体通过导向叶片时只有一部分能量被转换成动能。其余能量降则用于提高在工作叶片间构造的叶栅通道之内的流体的相对速度。在冲动式涡轮机中，叶片力几乎是唯一的作用力；而在一反力式涡轮机中，一小部分或一大部分来自速度值变化的力也成为作用力。过压式涡轮机这一概念就出自工作叶片下游侧和上游侧之间的压力差。所以在一过压式涡轮机中，当压力变化时速度值就会发生变化。

在一热能流体机械中，等熵反应度r被定义为工作叶片中的等熵焓降占某一级上的总等熵焓降的百分比，而该级由导向叶片栅和工作叶轮组成。一种这样的级被定义为纯等压级，即在该级，反应度r＝0，且产生最大的焓降。在一典型的过压级中，反应度r＝0.5，因此导向叶片中的焓降与工作轮叶片中的焓降完全相等。在剧烈反应时反应度例如被定义为r＝0.75。在建造汽轮机的实践中绝大多数情况下采用典型的过压级及等压级。但等压级通常是指反应度r接近于零的级。

此外利用了箱室式转子涡轮机和鼓筒式转子涡轮机的概念。通常，一冲动式涡轮机被制成箱室式结构，而一反力式涡轮机则被制成鼓筒式结构。一箱室式转子涡轮机具有一个壳体，该壳体由轴向相互间隔设置的中间轴段分成多个腔室。在每个腔室中运转着一个盘状工作轮，工作叶片被安装在该工作轮的外圆周上；而导向叶片则被置入中间轴段中。箱室式结构的一个优点是，中间轴段在其内缘上借助于迷宫式密封件可以十分有效地相对于涡轮机轴而被密封。因为密封件的尺寸小，所以间隙断面并因此间隙流动损失也变小。这一结构在公知的涡轮机中只在小的反应度，也即大的级降且因此少量级数时才被应用。在小的反应度时一个工作轮盘两侧的压力差很小，在极端情况下甚至等于零。一个作用在转子上的轴向推力保持小值，并可由一个轴向止推轴承承受。

在一鼓筒式转子涡轮机中，工作轮叶片直接安装在一个鼓筒形涡轮机轴的外圆周上。导向叶片要么直接置入汽轮机的壳体中，要么置入一个特殊的导向叶片支架中。这些工作叶片或导向叶片也可以配置轮箍，迷宫式密封件安装在这些轮箍上，从而在导向叶片或工作叶片和涡轮机轴或内壳之间的密封间隙得以被密封。因为这一密封间隙至少在工作叶片处位于大的半径上，所以在各种条件下的间隙流动损失都远远大于箱室式转子涡轮机中的值。由于更高的反应度，r约为0.5，在叶栅通道内产生了有利的流动路径，并因此产生了高效率。各级的轴向结构长度和加工费用都低于箱室式转子涡轮机，但级数却必须更多，因为反应级上的压降更小。在叶片组中出现的轴向推力十分可观。一个抵消这一轴向推力的可能性在于配置一个平衡活塞，排出管接头的压力经过一连接管施加在该活塞的前侧上。

在DE-AS 20 54 465中描述了一种鼓筒式结构的汽轮机。在该汽轮机中，一个支承工作叶片的涡轮机轴及一个包围该涡轮机轴的内壳被安装在一个罐形外壳内。该内壳支承导向叶片。该内壳通过相应的支承点和对中点与外壳相连，以便承受轴向推力。

US-PS 1,092,947涉及一种具有一个高压段、一个中压段和一个低压段的多级汽轮机。在此，各涡轮机段被安装在唯一一个壳体中。该高压段由一个级组成，具有一组固定的导向叶片，该导向叶片被安装在两组设置在同一轮盘上的工作叶片之间。所以该高压段的结构既不是一箱室式结构，又不是一鼓筒式结构。所述中压段被制成箱室式结构，所述低压段则被制成鼓筒式结构。在第二个实施形式中所述低压段被制成双流式。

在US-PS 1,750,814中公知了一种具有一个高压段和一个中压段的汽轮机。该高压段被制成鼓筒式结构，所述低压段则被制成箱室式结构。这两个涡轮机段既可以安装在同一轴上，也可以分别安装在一相分离的轴上，并分别安装在各自的壳体中，且相互间流体动力联接。该高压段具有一过压式叶片组或一等压式叶片组。

在DE-PS 448 247中描述了一种鼓筒和圆盘轮式蒸汽轮机，该涡轮机的最后一级配置圆盘轮(箱室式结构)。包括被制成鼓筒式结构及箱室式结构的涡轮机段的整个汽轮机被安装在一个涡轮机壳体中。

                             发明内容

本发明的目的是提供一种具有高效率的汽轮机。

本发明的目的可这样实现，即提供一种汽轮机，其包括：一个高压鼓筒式结构的涡轮机段，其具有高压蒸汽入口和高压蒸汽出口；一个中压箱室式结构的涡轮机段，其具有中压蒸汽入口和中压蒸汽出口；以及一中间加热装置；所述中压箱室式涡轮机段与所述高压鼓筒式涡轮机段这样流体连通，即从所述高压蒸汽出口通过所述中间加热装置到所述中压蒸汽入口。

通过这样一种可以说是混合结构的汽轮机产生了一个附加的提高总效率的结构自由度。当导入该汽轮机中的新汽处于某种相应蒸汽状态时，可以有针对性地充分利用箱室式结构及鼓筒式结构的长处。

该高压涡轮机段和中压涡轮机段既可以被制成单流式，也可以被制成双流式，并且既可以被安装在相互分离的外壳中，也可以被安装在一个专门供共同使用的外壳(紧凑涡轮机)中。在分离布置时高压涡轮机段的外壳优选制成罐状，如在DE-AS 20 54 465中所描述的那样。该外壳也可以为轴向分段结构。在一个具有相互分离壳体的实施例中，其中由于一个低的级反应(反应度)和高压涡轮机段的箱室式结构等原因仅出现一个微小的轴向推力，所以可以不设置一个推力平衡活塞，从而也可以避免由从该推力平衡活塞中流出的蒸汽所造成的漏泄损耗。这导致效率提高。

在一个具有相互分离外壳的实施形式中，中压涡轮机段被优选制成双流式，因而也可以不设置一个推力平衡活塞。在此，一个推力平衡活塞可以理解成是这样一种结构部件，即，它由于其几何形状在进汽时引起一个与蒸汽流过时由涡轮机叶片引起的轴向推力相反的合力。

在具有一个外壳的汽轮机的一个实施例中，不仅所述高压涡轮机段而且所述中压涡轮机段都安装在该外壳(小型涡轮机)中，且在该高压涡轮机段中特别由于一个低的级反应和所述箱室式结构而仅出现一个微小的轴向推力。由此，该设计成推力平衡活塞的涡轮机轴区域(中间轴段)的直径可以作得很小，尤其可以小于在中压涡轮机段的鼓筒式结构区域内的涡轮机轴的直径，其中，该涡轮机轴区域设置在高压叶片组和中压叶片组之间。由此可以减少在中压涡轮机段和高压涡轮机段之间的密封区域(更小的密封间隙环状面积)中的漏泄损耗，进而提高汽轮机效率。

由所述中压涡轮机引起的一轴向推力可通过一个推力平衡活塞来平衡。该推力平衡活塞这样来安装，即，沿涡轮机轴的轴向看过去，高压叶片组安装在该推力平衡活塞和中压叶片组之间。

在本发明的另一个可选择的实施形式中，所述高压涡轮机段被制成鼓筒式结构，而中压涡轮机段则被制成箱室式结构，其中，所述高压涡轮机段被制成双流式。这两个涡轮机段既可以安装在一个共用外壳中，也可以安装在相互分离的外壳中。中压涡轮机段也可以制成双流式。

在具有一个外壳(小型涡轮机)的一个实施形式中，由于该中压涡轮机段，特别由于一个低的级反应(反应度)和箱室式结构最多只会出现一个微小的轴向推力，所以不用为该中压涡轮机段设置一个推力平衡活塞。为了承接一个由高压涡轮机段引起的轴向推力，配置一个安装在高压叶片组和中压叶片组之间的涡轮机轴区域(中间轴段)，该区域既相对于中压叶片组又相对于高压叶片组具有一个带有相应径向端面的环状凹槽。由于在一小型涡轮机中出于设计方面的原因提供有这样一种中间轴段，所以可以通过放弃一种附加的中压-推力平衡活塞来提高中压涡轮机段的效率，并因此提高汽轮机的总效率。

在具有相互分离外壳的汽轮机的一个实施例中，中压涡轮机段被优选制成双流式，由此避免了该中压涡轮机段的一个轴向推力。为了承接高压涡轮机段的一个轴向推力，优选配置一个推力平衡活塞。其中可能会引起的漏泄损耗视不同的应用范围通过被制成鼓筒式结构的高压涡轮机段的过压式叶片组的高效率来平衡。

在本发明的两个实施形式中，弱反应级(箱室式结构中具有小反应度的级)导致压力迅速下降，并导致比体积相应地迅速增加及由此导致流动截面积和叶片高度的迅速增加。对于那些沿流动方向前后相邻且分别包括一个导向叶片结构和一个沿流动方向设置在其后的工作叶片结构的涡轮机级来说，与一个过压级相比，在这些级中次级损耗更小，由密封间隙引起的漏泄损耗也更小，该密封间隙形成在工作叶片和一个涡轮机壁之间及在导向叶片和涡轮机轴之间。视汽轮机不同的工作范围，特别是根据导入该汽轮机的蒸汽的新汽状态(温度、压力)及对质量流的要求和一个有待实现的热功率或发电功率等，箱室式结构的弱反应级产生的效率高于鼓筒式结构的过压级中产生的效率，或反之。所以视不同的工作范围，本发明的两个选择方案分别提供了与其各自的流体动力相匹配的实施形式。不言而喻，也可在所述中压涡轮机段之后再安装一个低压涡轮机段。一种根据本发明的汽轮机特别适合于用在燃煤蒸汽发电厂中。采用该汽轮机可得到约50MW至超过1500MW的电功率。新汽状态可以在50巴和300巴之间，温度可高达630℃。在此，在对材料，尤其是构成涡轮机轴和涡轮机壳体的材料进一步改进后，温度还可更高。

                             附图说明

下面借助附图所示实施例对本发明作进一步详细说明，在所有附图中相同的附图标记具有相同的含义，所有附图均为示意图，附图中：

图1和图2示出一种单壳体汽轮机的一个纵剖面；

图3和图4示出其中的高压涡轮机段和中压涡轮机段分别设置在相互分离的外壳中的一种汽轮机的一个纵剖面。

                               具体实施方式

图1示出一种带有唯一一个外壳4的汽轮机1，一个沿涡轮机轴线15对准的涡轮机轴6穿过该外壳4。该涡轮机轴6在那些未详细示出的通孔处分别采用轴密封件9相对于该外壳4来密封。一鼓筒式结构的高压涡轮机段2安装在该外壳4内部。该高压涡轮机段包括一个高压叶片组，它具有与所述涡轮机轴6相连接的工作叶片11和与一个高压内壳14相连接的示意性示出的导向叶片12。此外，一种为箱室式结构且带有工作叶片11和导向叶片12的中压涡轮机段3安装在该内壳14内，而为示图清晰起见各叶片被示意性地示出。该涡轮机轴6在其一个端部具有一个联轴节10，它与一个图中未示出的发电机或一个图中未示出的低压涡轮机段相连接。一个起推力平衡作用的涡轮机轴6的区域13(中间轴段)被轴向构造在高压叶片组和中压叶片组之间，该区域由一个相应的轴密封件9相对于所述内壳14来密封。所述涡轮机轴6在该中间轴段13和高压涡轮机段2及中压涡轮机段3之间各具有一个凹槽13a，由这两个凹槽来构成中间轴段13的端面。这两个凹槽13a中的一个与中压涡轮机段3的一个进汽区域7b相连接，而另一个凹槽13a与高压涡轮机段2的一个蒸汽入口7a相连接。流进进汽口7a的新汽例如具有约为170巴的压力、560℃的温度，这样的新汽沿轴向流过高压涡轮机段2的叶片组，且在压力降低后从高压涡轮机段2的一个排汽口8a流出。从该排汽口出来，已部分减压的蒸汽被导入一个图中未示出的中间加热装置，然后通过所述中压涡轮机段3的进汽口7b又重新进入汽轮机1中。该被制成鼓筒式结构且带有一个过压式叶片组的高压涡轮机段2导致一个朝排汽口8a方向的轴向推力。这一轴向推力由所述中间轴段13a和由所述凹槽13a构造的端面来平衡，因为在高压叶片组即从进汽口7a至排汽口8a内的压力降，在数量级上与处于进汽口7a和进汽口7b之间的中间轴段13上的压力差相当。所述中压涡轮机段3被制成箱室式结构，后者带有一个基本上为等压的叶片组。被中间加热后流进进汽口7b并轴向流过所述中压涡轮机段3的蒸汽，通过所述中压涡轮机段3的一个排汽口8b离开所述汽轮机1。在所述中压涡轮机段3中至多只产生一个微小的轴向推力，所以可以不用设置另一个推力平衡活塞。

图2示出一种带有一个外壳4的汽轮机1的一个纵剖面，一个箱室式结构的高压涡轮机段2和一个鼓筒式结构的中压涡轮机段3被安装在该外壳中。与图1相类似，一个中间轴段13被设置在所述高压涡轮机段2和中压涡轮机段3之间。因为相对于图1中的实施形式，所述高压涡轮机段2产生一个明显更微小的轴向推力，因而中间轴段13具有一个更小的直径并在其中压侧具有一个很小的凹槽13a。为了承接被制成鼓筒式结构的中压涡轮机段3的一个轴向推力，配置一个推力平衡活塞5，该活塞通过一个高压管道16与中压涡轮机段3的排汽口8b相连接。该推力平衡活塞5安装在高压涡轮机段2的排汽侧，因此该高压涡轮机段2被轴向安装在该推力平衡活塞5和中间轴段13，即中压涡轮机段3之间。与图1所示的实施形式相类似，可以在该汽轮机1之后连一个低压涡轮机段。

图3和图4分别示出一种汽轮机1，该汽轮机具有一个带有一个外壳4a的高压涡轮机段2和一个与前者轴向间隔设置且带有一个外壳4b的中压涡轮机段3。该中压涡轮机段3被制成双流式。一根穿过外壳4a的高压涡轮机段2的涡轮机轴6a经过一个联轴节10与一根穿过中压涡轮机段3的外壳4b的涡轮机轴6b相连接。在该涡轮机轴6b上安装了另一个联轴节10，用于与一个图中未示出的发电机或一个图中未示出的低压涡轮机段相连接。图3中，所述高压涡轮机段2被制成箱室式结构，而所述中压涡轮机段3则被制成鼓筒式结构。所以在高压涡轮机段2中最多只会出现一个微小的轴向推力，所以可以不用设置一个推力平衡活塞5。

图4中，所述高压涡轮机段2被制成鼓筒式结构，而中压涡轮机段3则被制成箱室式结构。一个被构造成推力平衡活塞5的中间轴段被轴向设置在进汽口7a和壳体4a之间。该推力平衡活塞5在壳体侧与排汽口8a流体动力学连通，因此进汽口7a和排汽口8a之间的压力差基本上与推力平衡活塞5轴向方向上的压降相当。至于高压涡轮机段2及中压涡轮机段3的结构特征和功能特征，请参阅对图1和图2的描述。在此，相同的附图标记在图3和图4中有相同的含义。

本发明的特点在于该汽轮机带有一个高压涡轮机段和一个中压涡轮机段，其中，该高压涡轮机段被制成鼓筒式结构，而中压涡轮机段则被制成箱室式结构，或反之。各涡轮机段既可以被安置在一个壳体中(小型涡轮机)，也可以被安装在两个分离的壳体中，视不同的工作范围(蒸汽压力、蒸汽温度、蒸汽流量及该汽轮机的热功率或发电功率)，可通过充分利用箱室式结构和鼓筒式结构的长处来获得一种具有特别高效率的组合。

Claims (14)

1.一种汽轮机，其包括：

一个高压鼓筒式结构的涡轮机段，其具有高压蒸汽入口和高压蒸汽出口；

一个中压箱室式结构的涡轮机段，其具有中压蒸汽入口和中压蒸汽出口；以及

一中间加热装置；

所述中压箱室式涡轮机段与所述高压鼓筒式涡轮机段这样流体连通，即从所述高压蒸汽出口通过所述中间加热装置到所述中压蒸汽入口。

2.按照权利要求1所述的汽轮机，其中所述高压箱室式涡轮机段被制成双流式。

3.按照权利要求1所述的汽轮机，其中，包括一个单一外壳，所述高压箱室式涡轮机段和中压鼓筒式涡轮机段被安装在该单一外壳中。

4.按权利要求3所述的汽轮机，其中包括一个推力平衡活塞，它用于补偿所述中压鼓筒式涡轮机段的轴向推力；所述高压箱室式涡轮机段被轴向安装在该中压涡轮机段和该推力平衡活塞之间。

5.按权利要求1所述的汽轮机，其中所述高压箱室式涡轮机段具有一个高压外壳；而所述中压鼓筒式涡轮机段具有一个与上述高压外壳轴向间隔设置的中压外壳。

6.按权利要求5所述的汽轮机，其中所述高压外壳为罐形。

7.一种汽轮机，其包括：

一个高压鼓筒、双流式结构的涡轮机段；

一个中压箱室式结构的涡轮机段，与所述高压鼓筒、双流式结构的涡轮机段流体连通。

8.按权利要求7所述的汽轮机，其中包括一个单一外壳，所述高压鼓筒、双流式结构的涡轮机段和中压箱室式涡轮机段被安装在该单一外壳中。

9.按权利要求8所述的汽轮机，其中所述中压箱室式涡轮机段为双流式结构。

10.按权利要求8所述的汽轮机，其中包括一个推力平衡活塞，它用于补偿所述中压箱室式涡轮机段的轴向推力；所述高压鼓筒、双流式结构的涡轮机段被轴向安装在该中压箱室式涡轮机段和该推力平衡活塞之间。

11.按权利要求7所述的汽轮机，其中所述高压鼓筒、双流式结构的涡轮机段具有一个高压外壳；而所述中压箱室式涡轮机段具有一个与上述高压外壳轴向间隔设置的中压外壳。

12.按权利要求11所述的汽轮机，其中所述高压外壳为罐形。

13.按照权利要求11所述的汽轮机，其中所述中压箱室式涡轮机段被制成双流式。

14.按照权利要求7所述的汽轮机，其中所述中压箱室式涡轮机段被制成双流式。

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