透平及導出漏洩流體的方法

2023-05-03 04:09:26

專利名稱：透平及導出漏洩流體的方法
技術領域：
本發明涉及一種帶有單轉子的透平，尤其是帶有單轉子的汽輪機，其轉子有一個安裝工作葉片的葉片區和一個推力平衡活塞，該推力平衡活塞有一個面朝葉片區的熱側和一個背對葉片區的冷側。本發明還涉及一種將經推力平衡活塞流出的漏洩流體導出的方法。
在1968年12月3日的德國實用新型6809708中描述了一種多殼體、阻流調節的高溫高壓軸流式汽輪機。此汽輪機有一個內殼部分和一個導流葉片支架，它們在結構上組合成一個唯一的、沿軸向平面分開的內殼層。該內殼層被一個罐狀結構的外殼包圍。內殼層本身圍繞著也稱為轉子的透平軸，其上有一個帶有工作葉片的葉片區。在轉子彼此相對的每一端設有轉子與外殼之間的軸密封裝置。在轉子的一端，流過汽輪機的蒸汽進入葉片區，並導致轉子繞其旋轉軸線作旋轉運動。在相對的另一端，當時至少已部分膨脹的蒸汽從葉片區和汽輪機排出。在這種情況下蒸汽對轉子施加一個推力。為了抵消此推力，轉子在蒸汽流入的那一端有一個平衡活塞裝置。它的特點在於其面朝葉片區的端面的面積大於其背對葉片區的端面的面積。在美國專利說明書US-3754833中描述了一種類似的罐形結構汽輪機。
在德國專利說明書DE-281253中給出了一種船用透平卸荷裝置。此透平包括一個帶有衝動-反動機組的前進和倒車透平，這些機組裝在唯一的一個殼體內，並通過筒壁卸荷。為了給透平卸荷，在前進透平與軸承之間設置了部分卸荷面。由此不僅在船向前行駛而且在船向後行駛時，均能實現葉片推力和船用螺旋漿推力的卸荷。
在德國專利申請公開說明書DE 19701020中描述了一種帶有高壓和中壓透平段的汽輪機，該高壓和中壓透平段可通過透平級來改變其反動度。在這裡，中壓和高壓透平段可裝在一個唯一的殼體內，以及每個透平段設計為單流道的。為了接受鼓形結構中壓透平段的軸向推力，設置了一個推力平衡活塞。它布置在軸承與高壓透平段之間。在與軸承相近的一側，推力平衡活塞受到來自中壓透平段排汽區蒸汽的作用，而在與高壓透平段相近的另一側受到來自高壓透平段的蒸汽的作用。這些透平段也可以安裝在兩個分開的殼體內。在單流道的情況下同樣設置一個推力平衡活塞。
本發明要解決的技術問題是提供一種具有推力平衡裝置、用於高溫驅動工質的透平。本發明的另一個要解決的技術問題是提供一種將推力平衡裝置的漏洩蒸汽導出的方法。
按照本發明，上述針對透平提出的技術問題是藉助於這樣一種透平來解決的，該透平包括一個轉子，該轉子有一個用作工作葉片的葉片區和一個推力平衡活塞，該推力平衡活塞有一個面朝葉片區的熱側和一個背對葉片區的冷側，其還包括一個混合區，在冷側配設的密封流體輸入通道及在流動上與葉片區連通的漏洩流體輸送通道均通入此混合區，並從此混合區分路接出一條導出通道。
此外，推力平衡活塞為一種推力平衡裝置，它以機械方式與透平的轉子相連接，例如與之製成一體，尤其鍛造或鑄造，或與之焊接、螺釘連接或通過其他方式機械固定連接。尤其是，此推力平衡活塞有一些可通過介質如蒸汽或氣體加載的表面，從而在推力平衡活塞上產生一個合力，該合力與工質在轉子上沿轉子旋轉軸線方向作用的推力方向相反。
兩個部分或兩個區域在流動上連通指的是，流體可從一個區域(部分)流向另一個區域。流動上的連通例如藉助於流體管路、孔或類似裝置實現。
本發明以推力平衡活塞(以下簡稱活塞)與工質接觸為出發點。這種工質可以在活塞與固定的透平部分(例如內殼)之間流過。由此形成工質的漏洩流。此漏洩流雖然可藉助密封來減小，但並不可能通過非接觸式密封實現完全密封。這種漏洩流可能有高的溫度，在汽輪機中此溫度達600℃，以及在燃氣輪機中還要高。因而，熱的漏洩蒸汽流可能出現在並非設計用於如此高溫度的透平部分上。為避免發生這種情況，在熱工質流動區之外的透平部分也必須採用適合於這種高溫的、往往既昂貴又難以加工的材料製造。作為另一種替換方案，也可以在活塞背對熱工質的那一端(以下稱作冷側)的流動區設置另一個密封區。作為輔助的或替換的方式，可設置一個用於抽出漏洩流的抽吸裝置。在這種情況下，通過活塞的漏洩流反比於此附加密封區和在抽吸裝置內所包含的抽吸管的流動阻力。然而這樣也不能做到完全密封，因而也不能防止熱漏洩流體作用在處於工質流動區之外的透平部分上。
按照本發明設置一個熱漏洩流體與較冷的密封流體的混合區，從而形成了一種由這兩種流體混合後的混合流體。然後此混合流體經導出通道從混合區排出。由此保證，與漏洩流體相比較冷的混合流體可控制地導入相應的透平區內。因而就漏洩流體而言實現了活塞的完全密封。由此可靠地避免漏洩流例如沿轉子流出活塞。在這種情況下混合流體的溫度優選處於熱工質流動區之外的那些透平部分允許的使用溫度之下。
作為一種優選方式，將混合區設在活塞的冷側。由此可在漏洩流體輸送通道中混合區與活塞熱側之間設置一個帶有例如非接觸式密封的密封區。
作為另一種優選方式，在活塞冷側設置一個用於使密封流體沿徑向向外流動的輸送結構，且此輸送結構與密封流體的輸入通道在流動上相連通。尤其是輸送結構具有多個導流件，如徑向槽、徑向孔、導流片或起同樣作用的形狀和幾何結構。這樣一種輸送結構構成了一種徑向通風機。
藉助該輸送結構，通過轉子旋轉就實現了密封流體朝著混合區方向的輸送。從而無需其他附加裝置便可使密封流體進入混合區內。藉助輸送結構產生的密封流體的流動因而優選地與漏洩流體的流動方向相反。
作為進一步的優選方式，輸送結構與推力平衡活塞製成一體。尤其是，將導流件焊接或以類似的方式固定在活塞冷側。
作為又一種優選方式，透平是一蒸汽透平(汽輪機)，尤其是一中壓透平段。更優選地，透平設計為單流道的。
作為再一種優選方式，透平有一外殼，在外殼內設置一內殼。內殼圍繞轉子，其中在推力平衡活塞與內殼之間形成具有一徑向間隙的漏洩流體輸送通道。最好在這樣一個間隙內設置非接觸式密封。
按照本發明，上述針對方法提出的技術問題是通過一種導出熱漏洩流體的方法來解決的，其中，透平中的漏洩流體流過在轉子的推力平衡活塞與固定不動的透平部分之間的徑向間隙，該熱漏洩流體與較冷的密封流體混合，並被導出。有關此方法的優點和作用方式可參見上述對透平結構設計的說明。
通過漏洩流體與密封流體混合形成比漏洩流體溫度低的混合流體，通過恰當地選擇發生這種混合的地點，可以實現活塞的完全密封。在這裡，漏洩流體最好在推力平衡活塞處、尤其在其冷側與密封流體混合。
密封流體的流動最好通過轉子的旋轉產生。尤其是藉助於一個設置在推力平衡活塞上的輸送結構來實現。密封流體的流動方向優選沿徑向向外。藉助輸送結構將密封流體沿徑向向外輸送。
若漏洩流體是熱蒸汽，則作為密封流體優選採用蒸汽，其中密封流體是較冷的蒸汽。尤其在汽輪機中是這種情況。在燃氣輪機中優選採用一種氣體例如冷卻空氣作為密封流體。
下面藉助在附圖中所描述的實施方式對透平及導出漏洩流體的方法作進一步詳細說明。


圖1為高壓汽輪機的縱剖面圖；圖2為汽輪機推力平衡活塞區的縱剖面圖；圖3為推力平衡活塞區的局部立體圖。
在圖1至3中相同的附圖標記總是具有同樣的含義。
圖1以縱剖圖方式描述了透平1，這裡為罐形結構的高壓汽輪機。該透平1有一個沿著旋轉軸線19延伸的轉子2。轉子2被一內殼11圍繞，內殼本身被外殼10圍繞。轉子2分別通過一個軸承22支承在外殼10兩端。在轉子2伸出外殼10的兩端區25各設一軸密封24。轉子2在熱工質26(這裡是熱蒸汽)的流入區21與排汽區20之間有一葉片區3。在葉片區3內，轉子2有沿軸向彼此相間隔的工作葉片4。內殼11上在軸向相鄰的工作葉片4之間對應地安裝了一排導流葉片23。
轉子2有一推力平衡活塞5，其中，流入區21沿軸向看位於葉片區3與推力平衡活塞5之間。推力平衡活塞5(簡稱活塞5)面朝流入區21有一熱側6，背對流入區21有一冷側7。
在透平1運行時，工質26流入流入區21，流過葉片區3，並經排汽區20離開透平1。工質26在流過葉片區3時，向工作葉片4、並因而向轉子2施加一個力。由此形成沿旋轉軸線19方向的推力。藉助推力平衡活塞5來抵消此推力。為此活塞5在冷側7和熱側6有相同或不同大小的圖中未詳細表示的面積，它們承受著相同或不同的壓力。由於在冷側7和熱側6上壓力與相關面積的乘積不同而產生一個與上述推力方向相反的軸向力。在透平1運行時，一部分工質26作為漏洩流體17(見圖2)沿軸向流過活塞5，尤其是在冷側7與熱側6之間存在壓差的情況。漏洩流體17的量通過在此處未作描述的非接觸式密封而保持得較小。
圖2表示透平1、尤其是單流道式中壓汽輪機的縱剖面一部分。一個自身沿旋轉軸線19延伸的轉子2有一個推力平衡活塞5。為了說明作用方式可參見圖1的實施方式。轉子2、並因而還有活塞5均被一內殼11圍繞。活塞5有一個面朝葉片區3(圖2中未示出)的熱側6和背對此葉片區的冷側7。在內殼11與活塞5之間形成一個屬於熱側6的漏洩流體輸送通道12。它至少部分構成一個在活塞5與內殼11之間的徑向間隙。在冷側7設一密封流體15的輸入通道14。在活塞5面朝冷側7的那一端設一個混合區13(一個腔室或類似結構)。漏洩流體輸送通道12以及密封流體15的輸入通道14均通往混合區13。一條導出通道16從混合區13通往內殼11內。在活塞5的冷側7上設置了一個帶有多個導流件9(見圖3)的輸送結構8。在轉子2旋轉時此輸送結構8起徑向通風機的作用。因此無需其他附加裝置便可實現密封流體15流入混合區13內。由此在混合區內完成熱的漏洩流體17(即熱蒸汽)與較冷的密封流體15(即較冷的蒸汽)的混合。從混合區13經導出通道16流出的、由漏洩流體17與密封流體15組成的混合流體18因而有比漏洩流體17低的溫度。由此取得兩方面效果。一方面，沒有熱的漏洩流體17經活塞5排出，因為密封流體15逆漏洩流體17流動。另一方面，比漏洩流體17溫度低的混合流體18流入內殼11。因此，與混合流體18接觸的透平部分，沒有如與工質26接觸的透平部分那麼高的熱負荷。所以，對於與混合流體18接觸的透平部分可以無風險地採用能承受較低熱負荷的材料，即更便宜的以及可能更易於加工的材料。
圖3給出了圖2所示透平1活塞5區域的透視剖切圖。在其冷側7設有一些徑向槽，其構成輸送結構8的導流件9。
權利要求
1.一種透平(1)，其包括一個轉子(2)，該轉子有一個用作工作葉片(4)的葉片區(3)和一個推力平衡活塞(5)，該推力平衡活塞(5)有一個面朝葉片區(3)的熱側(6)和一個背對葉片區(3)的冷側(7)；其還包括一個混合區(13)，在冷側(7)配設的密封流體(15)輸入通道(14)及在流動上與葉片區(3)連通的漏洩流體輸送通道(12)均通入此混合區，並從此混合區分路接出一條導出通道(16)。
2.按照權利要求1所述的透平(1)，其中，在冷側(7)設置一個使密封流體(15)徑向向外流動的輸送結構(8)，該輸送結構(8)在流動上與密封流體(15)的輸入通道(14)相連通。
3.按照權利要求1或2所述的透平(1)，其中，輸送結構(8)有多個導流件(9)，如徑向槽、徑向孔或導流片。
4.按照權利要求1至3中任何一項所述的透平(1)，其中，輸送結構(8)與推力平衡活塞(5)為一整體件。
5.按照權利要求1至4中任何一項所述的透平(1)，該透平為蒸汽透平，尤其是中壓透平段。
6.按照上述權利要求中任何一項所述的透平(1)，包括一個外殼(10)，其中設一內殼(11)，內殼(11)圍繞轉子(2)，且在推力平衡活塞(5)與內殼(11)之間形成具有徑向間隙的漏洩流體輸送通道(12)。
7.按照上述權利要求中任何一項所述的透平(1)，其為單流道透平。
8.導出熱漏洩流體(17)的方法，該透平(1)中的漏洩流體(17)流過在轉子(2)的推力平衡活塞(5)和固定不動的透平部分(11)之間的徑向間隙(12)，該熱漏洩流體(17)與較冷的密封流體(15)混合，並被導出。
9.按照權利要求8所述的方法，其中，該漏洩流體(17)在推力平衡活塞(5)處與密封流體(15)混合。
10.按照權利要求8或9所述的方法，其中，由於轉子(2)的旋轉該密封流體(15)藉助於設置在推力平衡活塞(5)上的輸送結構(8)沿徑向向外輸送。
11.按照權利要求8至10中任何一項所述的方法，其中漏洩流體(17)是熱蒸汽，密封流體(15)是較冷的蒸汽。
全文摘要
本發明涉及一種帶有單轉子(2)的透平(1),該轉子有一個用作工作葉片(4)的葉片區(3)和一個推力平衡活塞(5)。推力平衡活塞(5)有一個面朝葉片區(3)的熱側(6)和一個背對葉片區(3)的冷側。在冷側(7)配設的密封流體(15)輸入通道(14)及在流動上與葉片區(3)連通的漏洩流體輸送通道(12)均從一側通入一個混合區(13)內,並從此混合區另一側分路接出一條導出通道(16)。本發明還涉及導出熱漏洩流體(17)的方法。該漏洩流體(17)在透平(1)內流過在轉子(2)的推力平衡活塞(5)與固定不動的透平部分(11)之間的徑向間隙(12),其與較冷的密封流體(15)混合,並被導出。
文檔編號F01D25/16GK1370254SQ00811954
公開日2002年9月18日 申請日期2000年8月18日 優先權日1999年8月27日
發明者史蒂芬·薩斯, 雷納·塔姆 申請人:西門子公司