专利名称：用于冷却蒸汽涡轮机转子的系统和方法
技术领域：
本文公开的主题涉及蒸汽涡轮机，并且特别地，涉及在运行期间为涡轮机的转子 提供冷却。
背景技术：
在动力产生系统中，此处来自一部分的废热被用来在蒸汽涡轮机(例如，联合循 环发电设备(CCPP)，或多级蒸汽涡轮机)中加热蒸汽，第一部分产生废热，并且蒸汽涡轮机 回收该热来产生产电力。例如，在CCPP中，燃气涡轮发电机产生电力，并且废热被用来制造 蒸汽，来通过蒸汽涡轮机产生额外的电力。利用废热来产生用在蒸汽涡轮机中的蒸汽提高 了电力产生的效率。进入蒸汽涡轮机的入口节流阀的蒸汽的温度上的增加已显示出对整体CCPP的效 率的具有直接影响。事实上，蒸汽入口的温度上大约50° F的增加引起设备效率的可观的 增加。然而，经验显示，蒸汽温度上即使50° F的增加也会影响蒸汽涡轮机的转子寿命。该问题通常通过使用更耐热的转子材料来克服。然而，此类解决方法典型地增加 了成本。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了包括具有多个初期级(early stage)的转子的一种 蒸汽涡轮机。该涡轮机包括定子部分，其围绕着转子的一部分，并布置成使得在定子部分和 转子之间存在泄漏区，并且具有将冷却蒸汽从定子部分的一部分传送至泄漏区的冷却蒸汽 通道。该涡轮机也包括关于转子轴向地移位的至少一个冷却蒸汽传输通道，其接收来自泄 漏区的冷却蒸汽并将该冷却蒸汽提供至初期级的至少一部分。根据本发明的另一方面，提供了在蒸汽涡轮机中冷却一个或多个初期级的一种方 法。该方法包括通过在环绕着转子的至少一部分的定子部件中形成的冷却蒸汽通道将高压 低温蒸汽提供至泄漏区；通过形成在转子中的冷却蒸汽传输通道传送提供至泄漏区的高压 低温蒸汽；以及通过冷却蒸汽传输通道中的孔传送该高压低温蒸汽以接触一个或多个初期 级。根据又另一方面，提供了包括蒸汽涡轮机的一种发电设备。该蒸汽涡轮机包括转 子和定子部件，该转子具有多个初期级，该定子部件环绕转子的一部分，并布置成使得在定 子部件和转子之间存在泄漏区，并具有将来自定子部件的一部分的蒸汽传送至泄漏区的冷 却蒸汽通道。该蒸汽涡轮机还包括关于转子轴向地移位的至少一个冷却蒸汽传输通道，其 接收来自泄漏区的冷却蒸汽并将该冷却蒸汽提供至初期级的至少一部分。由结合附图的以下描述，这些和其它的优点和特征将变为更显而易见。
在本说明书所附的权利要求中，被当作本发明的主题被特别指出并清楚地要求保护。由结合附图的以下详细描述，本发明的前述和其它的特征以及优势是显而易见的，其 中图1显示了联合循环发电设备的方框图；图2是可在联合循环发电设备中使用的蒸汽涡轮机的一部分的剖开前视图； 图3是在图2中所示的蒸汽涡轮机的一部分的更详细的描绘； 图4是根据一个实施例的蒸汽涡轮机的一部分的剖开前视图； 图5显示了用于图4中所示的蒸汽涡轮机的该部分的可能的蒸汽路径； 图6显示了一种方法，在其中，根据一个实施例，可在定子部分中形成冷却蒸汽路
309 转子叶片402a 定子部件第一部分402b 定子部件第二部分402 定子部件404 壳体405 转子406 冷却蒸汽通道408 传输通道410 第一级喷嘴420 蒸汽源422 泄漏区424 转子叶片602 槽702 第一部分704 成角度的部分
具体实施例方式如上文所讨论的，允许更高的联合循环效率的升高的温度对联合循环发电设备的 蒸汽涡轮机部分中的转子可能是无益的。当然，同样的问题可在独立的蒸汽涡轮机中存在。 本文公开的实施例可通过将冷却蒸汽提供至转子的若干初始级来减少或消除这些问题。此 冷却系统可帮助使这些初始级保持冷却，并且因此帮助避免需要用具有更高温度性能的材 料更换整个转子。在一个实施例中，冷却蒸汽仅需提供给转子的初始若干级，主要蒸汽温度 通过该初始若干级下降足够多，从而由低耐热材料承受。图1显示了联接至变电站102的联合循环发电设备100的方框图。该联合循环发 电设备100产生电力并将其提供至变电站102。联合循环发电设备100可包括燃气涡轮机部分104和蒸汽涡轮机部分106。燃气 涡轮机部分104包括压缩机108，该压缩机108包括空气入口 107。压缩机108联接至燃烧 压缩空气流中的气体或燃料油的燃烧器109。燃烧器109联接至涡轮110。涡轮110从由 气体或燃料的燃烧产生的热气体流提取能量。在一个实施例中，提取的能量由第一发电机 112转换为电力。燃气涡轮机110的输出113为可用在联合系统100的其它循环中的排放气体。例 如，该排放气体可被用来加热用在蒸汽涡轮机部分106中的蒸汽。为此，系统联合循环发电 设备可包括联接至输出113的热回收蒸汽发生器(HRSG) 118。HRSG 118接收排放气体并使用其来将蒸汽/水加热至提高的温度。高温蒸汽通过 蒸汽通道120提供至蒸汽涡轮机部分106。蒸汽涡轮机部分106包括蒸汽涡轮机114。该蒸汽涡轮机114接收来自HRSG 118 的蒸汽。蒸汽通过蒸汽涡轮机114中的转子，引起蒸汽涡轮机114的部分旋转。此旋转能 量由第二发电机116转换为电力，并且该电力被提供至变电站102。图2显示了蒸汽涡轮机114的一部分的剖开前视图。图2中显示的蒸汽涡轮机114的该部分包括定子部件202。该定子部件202典型地为圆柱形的并环绕转子204的一 部分。转子204包括初期级206，高压高温蒸汽通过一个或多个蒸汽通道208传送至初期 级。高压高温蒸汽引起转子204转动，并且因此蒸汽涡轮机114可用来产生电力。转子204 的另一部分和定子部件202的至少一部分被壳体210环绕。蒸汽通道208典型地通过壳体 210。如上文所讨论的，如果进入的高压高温蒸汽(例如，自HRSG 118接收(图1))的 温度过高，转子204的初始若干级(在虚线框212中所示，本文也称之为“初期级”)会损 坏。一种方法是将蒸汽的一部分与蒸汽的其余部分分开冷却，并在将其提供至转子之前，重 新结合到蒸汽中来产生较冷的蒸汽。此类方法可能是有效的，但其意味着损失了热，并且需 要使用热交换器来降低已冷却的蒸汽的温度。图3显示了图2中所示的蒸汽涡轮机114的一部分的更详细的描绘。在图3中所 示的蒸汽涡轮机114的该部分包括定子部件202。转子204包括初期级206，高压高温蒸汽 通过一个或多个蒸汽通道208传送至初期级。初期级206包括入口喷嘴302、304、306和 308。当然，初期级206可包括比在图3中所示更多或更少的入口喷嘴。初期级206还包括 转子叶片303、305、307和309。当然，初期级206可包括比在图3中所示更多或更少的转子 叶片。蒸汽通道208典型地经过壳体210。蒸汽如由箭头A指示进入蒸汽通道208并如由 箭头B指示向下通过转子204的长度(穿过初期级206)。如上文所讨论的，在某些情况下，通过蒸汽通道208 (如箭头A所指示)进入初期 级206的蒸汽可处在损坏初期级206的温度下。本文公开的实施例可通过将呈相对高压低 温蒸汽的形式的冷却蒸汽提供至蒸汽涡轮机转子的初始若干级来缓和此类问题。该蒸汽可 通过定子中的通道接纳并通过轴向移位的冷却蒸汽传输通道，该冷却蒸汽传输通道通过转 子并且接近转子的外部边缘。蒸汽可来自外部源或来自例如排气或高压涡轮机的中间级的 内部源，并通过设在定子中的冷却蒸汽通道。蒸汽在接近级1喷嘴处释放。接纳的蒸汽的 一部分通过端部密封垫(end packing seals)，一部分汇合回主要流，而其余的通过冷却蒸 汽传输通道。通过冷却蒸汽传输通道的蒸汽冷却了转子，并且减少了进一步渗透进转子的 热量。图4显示了根据一个实施例的蒸汽涡轮机400的一部分的示例。在此实施例中， 蒸汽涡轮机400的所示部分包括环绕转子的至少一部分的定子部件402。壳体402环绕定 子部件402的至少一部分。壳体404还可环绕转子405的一部分。定子部件402包括冷却 蒸汽通道406。该冷却蒸汽通道406可通过定子部件402提供高压低温蒸汽。在一个实施 例中，冷却蒸汽通道406也通过壳体404。冷却蒸汽通道406可联接至蒸汽源420。在一个实施例中，蒸汽源420可为高压低 温蒸汽源。高压是在蒸汽涡轮机领域中已知的术语，并且在本文中应如此解释。如本文关于 蒸汽所使用的，低温应指的是具有比通过蒸汽通道208提供的蒸汽更低的温度的蒸汽。在 一个实施例中，低温蒸汽比通过蒸汽通道208提供的蒸汽冷至少50°C。当然，低温蒸汽可比 通过蒸汽通道208提供的蒸汽冷多于或少于50°C。在一个实施例中，冷却蒸汽通道208可通过壳体404和定子部件402将蒸汽提供 至位于第一级喷嘴410附近的密封流(packing flow)泄漏区422的入口。该密封流泄漏 区422可与一个或多个冷却蒸汽传输通道408成流体连通。各冷却蒸汽传输通道408为轴向流体(或蒸汽)传输机构，例如管。冷却蒸汽传输通道408布置成使得其可提供蒸汽至 转子405的一个或多个初始级(例如，转子411和414)。在一个实施例中，孔形成在冷却蒸 汽传输通道408中，以使得通过其中的蒸汽可冷却转子。蒸汽在由箭头D指示的方向上通 过冷却蒸汽传输通道408。通常，在意图被冷却的最后级的轮叶柄上可设置径向槽。例如， 最后级由图4的转子叶片4M显示。这允许高压低温蒸汽返回至主要流路径A，因此避免了 高温的主要流路径蒸汽进入更下游级的冷却孔。图5显示了在蒸汽涡轮机的一部分中可由高压低温蒸汽(也称为“冷却蒸汽”)所 取的路径的详细描绘。如由箭头C所指示，该冷却蒸汽被提供至密封流泄漏区422的入口 502。如由箭头F所指示，一些冷却蒸汽流入主要流路径A。如由箭头E所指示，冷却蒸汽 的另一部分在密封流泄漏区422中流动。然而，如由箭头D所指示，多数蒸汽流通过冷却蒸 汽传输通道408。冷却蒸汽传输通道408具有在轮叶柄或转子或两者中的径向孔。如由箭 头A所指示，这些径向孔允许低温高压蒸汽回流入高压高温蒸汽。应理解的是入口 502可 提供进入与多个冷却蒸汽传输通道408成流体连通的环的入口。在一个实施例中，冷却蒸汽传输通道406在其被建造时可形成在定子部件402中。 在另一实施例中，可给之前形成的定子部件402提供冷却蒸汽通道406。图6显示了定子部件402的两部分40 和402b的剖开前视图。该两部分可已 从预形成的定子部件402切出。第二部分402b具有形成于其中的槽602。当部分420a和 402b如由箭头Z所指示连接在一起时，此槽602允许蒸汽通过定子部件402。当然，槽602 可形成在第一部分40 中而非第二部分402b中，或形成在两者中。图7显示了根据一个实施例的定子部件202的侧视图。该定子部件202环绕转子 204的至少一部分。该定子部件202包括如上所述的冷却蒸汽通道406。在此实施例中，冷 却蒸汽传输通道406包括第一部分702和成角度的部分704。该成角度的部分704可相对 于第一部分702处在任何角度处，只要其在转子204中提供从第一部分702至传输孔(未 显示)的路径。通常，成角度的部分的冷却蒸汽通道406可降低蒸汽进入转子中的传输通 道期间的压力下降。应指出的是，在上文描述的任何实施例中，冷却蒸汽传输通道的横截面可取多种 不同的形状，而不偏离本文的教导。例如，在横截面上，冷却蒸汽通道可为圆的或椭圆的。尽管本发明已联系仅有限数目的实施例进行详细描述，但应该容易理解的是本发 明不限于此类公开的实施例。而是，本发明可被修改来包含迄今尚未描述，但与本发明的精 神和范围相称的任何数目的变化、替代、替换或等价装置。另外，尽管已描述了本发明的多 个实施例，将理解的是本发明的方面可仅包括某些已描述的实施例。相应地，本发明将不被 视为由先前的描述限制，而仅由所附的权利要求的范围限制。
权利要求
1.一种蒸汽涡轮机，包括转子004)，其具有多个初期级Q06)；定子部分002)，其环绕所述转子的一部分，并布置成使得在所述定子部分和所述转子 之间存在泄漏区022)，并具有将来自所述定子部分的一部分的冷却蒸汽传送至所述泄漏 区的冷却蒸汽通道G06)；以及关于所述转子轴向地移位的至少一个冷却蒸汽传输通道008)，其接收来自所述泄漏 区的所述冷却蒸汽，并将所述冷却蒸汽提供至所述初期级的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的蒸汽涡轮机，其特征在于，各初期级均包括喷嘴和转子叶片。
3.根据权利要求2所述的蒸汽涡轮机，其特征在于，所述至少一个冷却蒸汽传输通道 比至少一个初期级的所述喷嘴更接近于所述转子叶片。
4.根据权利要求1所述的蒸汽涡轮机，其特征在于，所述至少一个冷却蒸汽传输通道 包括形成在其中的多个孔。
5.根据权利要求4所述的蒸汽涡轮机，其特征在于，所述多个初期级的至少其中一个 包括通路，所述通路形成来允许蒸汽离开在所述冷却蒸汽传输通道中的多个孔从而进入所 述多个初期级的所述至少其中一个。
6.根据权利要求1所述的蒸汽涡轮机，其特征在于，所述蒸汽涡轮机还包括壳体010)，其环绕所述定子部分的至少一部分，并在其中具有壳体蒸汽通道008)， 所述壳体冷却蒸汽通道布置成与所述冷却蒸汽通道成流体连通。
7.根据权利要求6所述的蒸汽涡轮机，其特征在于，所述蒸汽涡轮机还包括 将高压低温蒸汽提供至所述壳体蒸汽通道的蒸汽源(420)。
8.根据权利要求1所述的蒸汽涡轮机，其特征在于，所述蒸汽涡轮机与燃气涡轮机联I=I O
9.根据权利要求1所述的蒸汽涡轮机，其特征在于，所述蒸汽涡轮机还包括 关于所述转子移位的多个冷却蒸汽传输通道，其接收来自所述泄漏区的所述冷却蒸汽，并将冷却蒸汽提供至所述多个初期级的至少一部分。
10.根据权利要求1所述的蒸汽涡轮机，其特征在于，所述定子部分通过如下方式形 成将原始的定子部分切割为两部分并在所述部分的至少其中一个中形成槽且再结合所述 两部分来形成所述定子部分。
全文摘要
本发明涉及用于冷却蒸汽涡轮机转子的系统和方法，具体而言，一种蒸汽涡轮机包括转子(204)和定子部分(202)，转子(204)具有多个初期级(206)，定子部分(202)环绕转子的一部分，并布置成使得在定子部分和转子之间存在泄漏区(422)，并具有将冷却蒸汽从定子部分的一部分传送至泄漏区的冷却蒸汽通道(406)。该涡轮机还包括关于转子轴向地移位的至少一个冷却蒸汽传输通道(408)，其接收来自泄漏区的冷却蒸汽并将其提供至初期级的至少一部分。
文档编号F01D25/14GK102042041SQ201010517880
公开日2011年5月4日 申请日期2010年10月12日 优先权日2009年10月13日
发明者A·P·巴加瓦蒂斯瓦兰, F·T·小威利, R·S·V·卡西博特拉 申请人:通用电气公司