專利名稱：汽輪機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種汽輪機，該汽輪機具有一個高壓渦輪機段和一個與前者有流體動力聯系的中壓渦輪機段。
公知的汽輪機分成沖動式渦輪機(也稱等壓式渦輪機)和反力式渦輪機(也稱過壓式渦輪機)。它們具有一個渦輪機軸及一個內殼；在渦輪機軸的上面安裝了工作葉片，而在內殼內在軸向間隔設置的工作葉片之間安裝了導向葉片。
在一沖動式渦輪機中，在那些因導向葉片而收縮的通道中，總的能量降基本上被轉換成流體動能。在此，速度提高而壓力下降。工作葉片中的壓力-及相對速度基本保持常量，這一點通過等內徑的通道而實現。因為相對速度的方向發生變化，所以產生了作用力，它們驅動工作葉片并因此引起渦輪機軸轉動。在工作葉片被繞流時流體的絕對速度值大大降低，由此流體將其大部分動能傳遞給工作葉片并由葉片傳遞給渦輪機軸。
在一反力式渦輪機中，在流體通過導向葉片時只有一部分能量被轉換成動能。其余能量降則用于提高在工作葉片間構造的葉柵通道之內的流體的相對速度。在沖動式渦輪機中，葉片力幾乎是唯一的作用力；而在一反力式渦輪機中，一小部分或一大部分來自速度值變化的力也成為作用力。過壓式渦輪機這一概念就出自工作葉片下游側和上游側之間的壓力差。所以在一過壓式渦輪機中，當壓力變化時速度值就會發生變化。
在一熱能流體機械中，等熵反應度r被定義為工作葉片中的等熵焓降占某一級上的總等熵焓降的百分比，而該級由導向葉片柵和工作葉輪組成。一種這樣的級被定義為純等壓級，即在該級，反應度r＝0，且產生最大的焓降。在一典型的過壓級中，反應度r＝0.5，因此導向葉片中的焓降與工作輪葉片中的焓降完全相等。在劇烈反應時反應度例如被定義為r＝0.75。在建造汽輪機的實踐中絕大多數情況下采用典型的過壓級及等壓級。但等壓級通常是指反應度r接近于零的級。
此外利用了箱室式轉子渦輪機和鼓筒式轉子渦輪機的概念。通常，一沖動式渦輪機被制成箱室式結構，而一反力式渦輪機則被制成鼓筒式結構。一箱室式轉子渦輪機具有一個殼體，該殼體由軸向相互間隔設置的中間軸段分成多個腔室。在每個腔室中運轉著一個盤狀工作輪，工作葉片被安裝在該工作輪的外圓周上；而導向葉片則被置入中間軸段中。箱室式結構的一個優點是，中間軸段在其內緣上借助于迷宮式密封件可以十分有效地相對于渦輪機軸而被密封。因為密封件的尺寸小，所以間隙斷面并因此間隙流動損失也變小。這一結構在公知的渦輪機中只在小的反應度，也即大的級降且因此少量級數時才被應用。在小的反應度時一個工作輪盤兩側的壓力差很小，在極端情況下甚至等于零。一個作用在轉子上的軸向推力保持小值，并可由一個軸向止推軸承承受。
在一鼓筒式轉子渦輪機中，工作輪葉片直接安裝在一個鼓筒形渦輪機軸的外圓周上。導向葉片要么直接置入汽輪機的殼體中，要么置入一個特殊的導向葉片支架中。這些工作葉片或導向葉片也可以配置輪箍，迷宮式密封件安裝在這些輪箍上，從而在導向葉片或工作葉片和渦輪機軸或內殼之間的密封間隙得以被密封。因為這一密封間隙至少在工作葉片處位于大的半徑上，所以在各種條件下的間隙流動損失都遠遠大于箱室式轉子渦輪機中的值。由于更高的反應度，r約為0.5，在葉柵通道內產生了有利的流動路徑，并因此產生了高效率。各級的軸向結構長度和加工費用都低于箱室式轉子渦輪機，但級數卻必須更多，因為反應級上的壓降更小。在葉片組中出現的軸向推力十分可觀。一個抵消這一軸向推力的可能性在于配置一個平衡活塞，排出管接頭的壓力經過一連接管施加在該活塞的前側上。
在DE-AS 20 54 465中描述了一種鼓筒式結構的汽輪機。在該汽輪機中，一個支承工作葉片的渦輪機軸及一個包圍該渦輪機軸的內殼被安裝在一個罐形外殼內。該內殼支承導向葉片。該內殼通過相應的支承點和對中點與外殼相連，以便承受軸向推力。
US-PS 1,092,947涉及一種具有一個高壓段、一個中壓段和一個低壓段的多級汽輪機。在此，各渦輪機段被安裝在唯一一個殼體中。該高壓段由一個級組成，具有一組固定的導向葉片，該導向葉片被安裝在兩組設置在同一輪盤上的工作葉片之間。所以該高壓段的結構既不是一箱室式結構，又不是一鼓筒式結構。所述中壓段被制成箱室式結構，所述低壓段則被制成鼓筒式結構。在第二個實施形式中所述低壓段被制成雙流式。
在US-PS 1,750,814中公知了一種具有一個高壓段和一個中壓段的汽輪機。該高壓段被制成鼓筒式結構，所述低壓段則被制成箱室式結構。這兩個渦輪機段既可以安裝在同一軸上，也可以分別安裝在一相分離的軸上，并分別安裝在各自的殼體中，且相互間流體動力聯接。該高壓段具有一過壓式葉片組或一等壓式葉片組。
在DE-PS 448 247中描述了一種鼓筒和圓盤輪式蒸汽輪機，該渦輪機的最后一級配置圓盤輪(箱室式結構)。包括被制成鼓筒式結構及箱室式結構的渦輪機段的整個汽輪機被安裝在一個渦輪機殼體中。
本發明的目的是提供一種具有高效率的汽輪機。
本發明的目的是通過一種具有一個高壓渦輪機段和一個與前者有流體動力聯系的中壓渦輪機段的汽輪機來實現的，在該汽輪機中所述高壓渦輪機段被制成箱室式結構，而所述中壓渦輪機段則被制成鼓筒式結構。
通過這樣一種可以說是混合結構的汽輪機產生了一個附加的提高總效率的結構自由度。當導入該汽輪機中的新汽處于某種相應蒸汽狀態時，可以有針對性地充分利用箱室式結構及鼓筒式結構的長處。
該高壓渦輪機段和中壓渦輪機段既可以被制成單流式，也可以被制成雙流式，并且既可以被安裝在相互分離的外殼中，也可以被安裝在一個專門供共同使用的外殼(緊湊渦輪機)中。在分離布置時高壓渦輪機段的外殼優選制成罐狀，如在DE-AS 20 54 465中所描述的那樣。該外殼也可以為軸向分段結構。在一個具有相互分離殼體的實施例中，其中由于一個低的級反應(反應度)和高壓渦輪機段的箱室式結構等原因僅出現一個微小的軸向推力，所以可以不設置一個推力平衡活塞，從而也可以避免由從該推力平衡活塞中流出的蒸汽所造成的漏泄損耗。這導致效率提高。
在一個具有相互分離外殼的實施形式中，中壓渦輪機段被優選制成雙流式，因而也可以不設置一個推力平衡活塞。在此，一個推力平衡活塞可以理解成是這樣一種結構部件，即，它由于其幾何形狀在進汽時引起一個與蒸汽流過時由渦輪機葉片引起的軸向推力相反的合力。
在具有一個外殼的汽輪機的一個實施例中，不僅所述高壓渦輪機段而且所述中壓渦輪機段都安裝在該外殼(小型渦輪機)中，且在該高壓渦輪機段中特別由于一個低的級反應和所述箱室式結構而僅出現一個微小的軸向推力。由此，該設計成推力平衡活塞的渦輪機軸區域(中間軸段)的直徑可以作得很小，尤其可以小于在中壓渦輪機段的鼓筒式結構區域內的渦輪機軸的直徑，其中，該渦輪機軸區域設置在高壓葉片組和中壓葉片組之間。由此可以減少在中壓渦輪機段和高壓渦輪機段之間的密封區域(更小的密封間隙環狀面積)中的漏泄損耗，進而提高汽輪機效率。
由所述中壓渦輪機引起的一軸向推力可通過一個推力平衡活塞來平衡。該推力平衡活塞這樣來安裝，即，沿渦輪機軸的軸向看過去，高壓葉片組安裝在該推力平衡活塞和中壓葉片組之間。
在本發明的另一個可選擇的實施形式中，所述高壓渦輪機段被制成鼓筒式結構，而中壓渦輪機段則被制成箱室式結構，其中，所述高壓渦輪機段被制成雙流式。這兩個渦輪機段既可以安裝在一個共用外殼中，也可以安裝在相互分離的外殼中。中壓渦輪機段也可以制成雙流式。
在具有一個外殼(小型渦輪機)的一個實施形式中，由于該中壓渦輪機段，特別由于一個低的級反應(反應度)和箱室式結構最多只會出現一個微小的軸向推力，所以不用為該中壓渦輪機段設置一個推力平衡活塞。為了承接一個由高壓渦輪機段引起的軸向推力，配置一個安裝在高壓葉片組和中壓葉片組之間的渦輪機軸區域(中間軸段)，該區域既相對于中壓葉片組又相對于高壓葉片組具有一個帶有相應徑向端面的環狀凹槽。由于在一小型渦輪機中出于設計方面的原因提供有這樣一種中間軸段，所以可以通過放棄一種附加的中壓-推力平衡活塞來提高中壓渦輪機段的效率，并因此提高汽輪機的總效率。
在具有相互分離外殼的汽輪機的一個實施例中，中壓渦輪機段被優選制成雙流式，由此避免了該中壓渦輪機段的一個軸向推力。為了承接高壓渦輪機段的一個軸向推力，優選配置一個推力平衡活塞。其中可能會引起的漏泄損耗視不同的應用范圍通過被制成鼓筒式結構的高壓渦輪機段的過壓式葉片組的高效率來平衡。
在本發明的兩個實施形式中，弱反應級(箱室式結構中具有小反應度的級)導致壓力迅速下降，并導致比體積相應地迅速增加及由此導致流動截面積和葉片高度的迅速增加。對于那些沿流動方向前后相鄰且分別包括一個導向葉片結構和一個沿流動方向設置在其后的工作葉片結構的渦輪機級來說，與一個過壓級相比，在這些級中次級損耗更小，由密封間隙引起的漏泄損耗也更小，該密封間隙形成在工作葉片和一個渦輪機壁之間及在導向葉片和渦輪機軸之間。視汽輪機不同的工作范圍，特別是根據導入該汽輪機的蒸汽的新汽狀態(溫度、壓力)及對質量流的要求和一個有待實現的熱功率或發電功率等，箱室式結構的弱反應級產生的效率高于鼓筒式結構的過壓級中產生的效率，或反之。所以視不同的工作范圍，本發明的兩個選擇方案分別提供了與其各自的流體動力相匹配的實施形式。不言而喻，也可在所述中壓渦輪機段之后再安裝一個低壓渦輪機段。一種根據本發明的汽輪機特別適合于用在燃煤蒸汽發電廠中。采用該汽輪機可得到約50MW至超過1500MW的電功率。新汽狀態可以在50巴和300巴之間，溫度可高達630℃。在此，在對材料，尤其是構成渦輪機軸和渦輪機殼體的材料進一步改進后，溫度還可更高。
下面借助附圖所示實施例對本發明作進一步詳細說明，在所有附圖中相同的附圖標記具有相同的含義，所有附圖均為示意圖，附圖中
圖1和圖2示出一種單殼體汽輪機的一個縱剖面；圖3和圖4示出其中的高壓渦輪機段和中壓渦輪機段分別設置在相互分離的外殼中的一種汽輪機的一個縱剖面。
圖1示出一種帶有唯一一個外殼4的汽輪機1，一個沿渦輪機軸線15對準的渦輪機軸6穿過該外殼4。該渦輪機軸6在那些未詳細示出的通孔處分別采用軸密封件9相對于該外殼4來密封。一鼓筒式結構的高壓渦輪機段2安裝在該外殼4內部。該高壓渦輪機段包括一個高壓葉片組，它具有與所述渦輪機軸6相連接的工作葉片11和與一個高壓內殼14相連接的示意性示出的導向葉片12。此外，一種為箱室式結構且帶有工作葉片11和導向葉片12的中壓渦輪機段3安裝在該內殼14內，而為示圖清晰起見各葉片被示意性地示出。該渦輪機軸6在其一個端部具有一個聯軸節10，它與一個圖中未示出的發電機或一個圖中未示出的低壓渦輪機段相連接。一個起推力平衡作用的渦輪機軸6的區域13(中間軸段)被軸向構造在高壓葉片組和中壓葉片組之間，該區域由一個相應的軸密封件9相對于所述內殼14來密封。所述渦輪機軸6在該中間軸段13和高壓渦輪機段2及中壓渦輪機段3之間各具有一個凹槽13a，由這兩個凹槽來構成中間軸段13的端面。這兩個凹槽13a中的一個與中壓渦輪機段3的一個進汽區域7b相連接，而另一個凹槽13a與高壓渦輪機段2的一個蒸汽入口7a相連接。流進進汽口7a的新汽例如具有約為170巴的壓力、560℃的溫度，這樣的新汽沿軸向流過高壓渦輪機段2的葉片組，且在壓力降低后從高壓渦輪機段2的一個排汽口8a流出。從該排汽口出來，已部分減壓的蒸汽被導入一個圖中未示出的中間加熱裝置，然后通過所述中壓渦輪機段3的進汽口7b又重新進入汽輪機1中。該被制成鼓筒式結構且帶有一個過壓式葉片組的高壓渦輪機段2導致一個朝排汽口8a方向的軸向推力。這一軸向推力由所述中間軸段13a和由所述凹槽13a構造的端面來平衡，因為在高壓葉片組即從進汽口7a至排汽口8a內的壓力降，在數量級上與處于進汽口7a和進汽口7b之間的中間軸段13上的壓力差相當。所述中壓渦輪機段3被制成箱室式結構，后者帶有一個基本上為等壓的葉片組。被中間加熱后流進進汽口7b并軸向流過所述中壓渦輪機段3的蒸汽，通過所述中壓渦輪機段3的一個排汽口8b離開所述汽輪機1。在所述中壓渦輪機段3中至多只產生一個微小的軸向推力，所以可以不用設置另一個推力平衡活塞。
圖2示出一種帶有一個外殼4的汽輪機1的一個縱剖面，一個箱室式結構的高壓渦輪機段2和一個鼓筒式結構的中壓渦輪機段3被安裝在該外殼中。與圖1相類似，一個中間軸段13被設置在所述高壓渦輪機段2和中壓渦輪機段3之間。因為相對于圖1中的實施形式，所述高壓渦輪機段2產生一個明顯更微小的軸向推力，因而中間軸段13具有一個更小的直徑并在其中壓側具有一個很小的凹槽13a。為了承接被制成鼓筒式結構的中壓渦輪機段3的一個軸向推力，配置一個推力平衡活塞5，該活塞通過一個高壓管道16與中壓渦輪機段3的排汽口8b相連接。該推力平衡活塞5安裝在高壓渦輪機段2的排汽側，因此該高壓渦輪機段2被軸向安裝在該推力平衡活塞5和中間軸段13，即中壓渦輪機段3之間。與圖1所示的實施形式相類似，可以在該汽輪機1之后連一個低壓渦輪機段。
圖3和圖4分別示出一種汽輪機1，該汽輪機具有一個帶有一個外殼4a的高壓渦輪機段2和一個與前者軸向間隔設置且帶有一個外殼4b的中壓渦輪機段3。該中壓渦輪機段3被制成雙流式。一根穿過外殼4a的高壓渦輪機段2的渦輪機軸6a經過一個聯軸節10與一根穿過中壓渦輪機段3的外殼4b的渦輪機軸6b相連接。在該渦輪機軸6b上安裝了另一個聯軸節10，用于與一個圖中未示出的發電機或一個圖中未示出的低壓渦輪機段相連接。圖3中，所述高壓渦輪機段2被制成箱室式結構，而所述中壓渦輪機段3則被制成鼓筒式結構。所以在高壓渦輪機段2中最多只會出現一個微小的軸向推力，所以可以不用設置一個推力平衡活塞5。
圖4中，所述高壓渦輪機段2被制成鼓筒式結構，而中壓渦輪機段3則被制成箱室式結構。一個被構造成推力平衡活塞5的中間軸段被軸向設置在進汽口7a和殼體4a之間。該推力平衡活塞5在殼體側與排汽口8a流體動力學連通，因此進汽口7a和排汽口8a之間的壓力差基本上與推力平衡活塞5軸向方向上的壓降相當。至于高壓渦輪機段2及中壓渦輪機段3的結構特征和功能特征，請參閱對圖1和圖2的描述。在此，相同的附圖標記在圖3和圖4中有相同的含義。
本發明的特點在于該汽輪機帶有一個高壓渦輪機段和一個中壓渦輪機段，其中，該高壓渦輪機段被制成鼓筒式結構，而中壓渦輪機段則被制成箱室式結構，或反之。各渦輪機段既可以被安置在一個殼體中(小型渦輪機)，也可以被安裝在兩個分離的殼體中，視不同的工作范圍(蒸汽壓力、蒸汽溫度、蒸汽流量及該汽輪機的熱功率或發電功率)，可通過充分利用箱室式結構和鼓筒式結構的長處來獲得一種具有特別高效率的組合。
權利要求
1.一種汽輪機(1)，其具有一個高壓渦輪機段(2)和一個與之流體動力連通的中壓渦輪機段(3)，其中，該高壓渦輪機段(2)被制成箱室式結構，而該中壓渦輪機段(3)則被制成鼓筒式結構。
2.按照權利要求1所述的汽輪機(1)，其中所述高壓渦輪機段(2)被制成雙流式。
3.一種汽輪機(1)，其具有一個高壓渦輪機段(2)和一個與之流體動力學連通的中壓渦輪機段(3)，其中，該高壓渦輪機段(2)被制成鼓筒式結構，而該中壓渦輪機段(3)則被制成箱室式結構，并且該高壓渦輪機段(2)還被制成雙流式。
4.按上述任一項權利要求所述的汽輪機(1)，其具有一個外殼(4)，所述高壓渦輪機段(2)和中壓渦輪機段(3)被安裝在該外殼中。
5.按權利要求4所述的汽輪機(1)，其中配置了一個推力平衡活塞(5)，它用于補償所述中壓渦輪機段(3)的軸向推力；所述高壓渦輪機段被軸向安裝在該中壓渦輪機段(3)和該推力平衡活塞(5)之間。
6.按權利要求1或3所述的汽輪機(1)，其中所述高壓渦輪機段(2)具有一個外殼(4a)，尤其是一種罐形外殼；而所述中壓渦輪機段(3)具有一個與上述外殼(4a)軸向間隔設置的外殼(4b)。
7.按權利要求6所述的汽輪機(1)，其中所述中壓渦輪機段(3)被制成雙流式。
全文摘要
本發明涉及一種汽輪機(1),其具有一個高壓渦輪機段(2)和一個與之流體動力學連通的中壓渦輪機段(3)。該高壓渦輪機段(2)被制成箱室式結構,而該中壓渦輪機段(3)則被制成鼓筒式結構。當然,也可選擇將該高壓渦輪機段(2)制成鼓筒式結構,而將該中壓渦輪機段(3)制成箱室式結構。
文檔編號F01D1/16GK1242817SQ98801588
公開日2000年1月26日 申請日期1998年1月9日 優先權日1997年1月14日
發明者拉爾夫·貝爾, 阿明·德羅斯德蔡克, 密克海爾·西金, 英戈·斯蒂芬, 沃爾克·西蒙, 烏爾里克·卡佩勒, 簡－埃里克·米勒 申請人:西門子公司