本发明大体上涉及一种涡轮机系统，且更具体地说，涉及一种包括具有多个单独地受控制的喷嘴群组的冲动级的蒸汽涡轮系统。
背景技术：
随着可获得的可再生能源的增长，蒸汽发电设备(steampowerplants)以低负载或最小负载操作以便对诸如太阳能和风能的这些可再生能源的发电中的波动做出反应。然而，以滑动压力模式(slidingpressuremode)操作的蒸汽发电设备在部分负载期间仍必须维持某一固定最小压力模式以保护锅炉避免锅炉过热。以滑动压力模式操作的蒸汽发电设备的技术现状(stateoftheart)为通过经由高压(hp)涡轮进口阀对新鲜蒸汽(livesteam)进行节流(throttling)而以低负载且最小负载维持此固定最小压力模式。设备负载越低，那么节流损耗越高且循环效率越低。
技术实现要素：
本发明的第一方面提供一种蒸汽涡轮系统，其包括：沿着第一轴轴向地布置的多个叶片级(apluralityofbladestages)；，配置在多个叶片级的上游(upstreamof)的冲动级(impulsestage)，所述冲动级具有冲动轮(impulsewheel)和外壳(casing)，所述外壳包括多个入口区段(inletsections)，其中多个入口区段中的每一个具有对应的喷嘴群组(correspondingnozzlegroup)且操作性地连接到控制第一蒸汽流通过对应的喷嘴群组的对应的控制阀(controlvalve)；第一入口(firstinlet)，其被配置成提供通过冲动级和多个叶片级的第一蒸汽流；和第二入口，其被配置成提供到多个叶片级且绕过(bypassing)冲动级的第二蒸汽流。
其中，多个喷嘴群组中的至少一个的喷嘴数目与其余喷嘴群组的喷嘴数目不同。
其中，所述冲动级的所述喷嘴群组中的每一个被配置成指引(direct)所述第一蒸汽流绕过所述多个叶片级中的至少一个。
其中，所述系统进一步包括围封(enclosing)所述多个叶片级和所述冲动级的第一壳体(firsthousing)。
其中，所述系统进一步包括围封所述多个叶片级的第一壳体和围封被布置在所述第一轴上的所述冲动级的第二壳体。
其中，所述系统进一步包括围封所述多个叶片级的第一壳体和围封被布置在第二轴上的所述冲动级的第二壳体。
本发明的第二方面提供一种发电设备，其包括：蒸汽源，其用于产生蒸汽流；高压涡轮系统，其具有：多个叶片级，其沿着第一轴轴向地布置；冲动级，其被配置在多个叶片级的上游，所述冲动级具有冲动轮和外壳，所述外壳包括多个入口区段，其中多个入口区段中的每一个具有对应的喷嘴群组且操作性地连接到控制第一蒸汽流通过对应的喷嘴群组的对应的控制阀；第一入口，其被配置成提供通过冲动级和多个叶片级的第一蒸汽流；和第二入口，其被配置成提供到多个叶片级且绕过冲动级的第二蒸汽流；中间涡轮系统和低压涡轮系统，其流体地连接到高压涡轮系统；和第一发电机，其由第一轴驱动。
其中，所述外壳的多个喷嘴群组中的至少一个的喷嘴数目与其余喷嘴群组的喷嘴数目不同。
其中，所述冲动级的所述对应的喷嘴群组中的每一个被配置成指引所述第一蒸汽流绕过所述多个叶片级中的至少一个。
其中，所述发电设备进一步包括围封所述高压蒸汽涡轮系统的所述多个叶片级和所述冲动级的第一壳体。
其中，所述发电设备进一步包括围封所述多个叶片级的第一壳体和围封沿着所述第一轴布置的所述冲动级的第二壳体。
其中，所述发电设备进一步包括围封所述多个叶片级的第一壳体和围封沿着驱动第二发电机的第二轴布置的所述冲动级的第二壳体。
本发明的第三方面提供一种用于蒸汽涡轮系统的冲动级系统，所述冲动级系统包括被布置在第一轴上的冲动轮和包括多个入口区段的外壳和第一入口，其中多个入口区段中的每一个具有对应的喷嘴群组且操作性地连接到控制第一蒸汽流通过对应的喷嘴群组的对应的控制阀，所述第一入口被配置成将第一蒸汽流馈送通过冲动级。
其中，所述对应的喷嘴群组中的至少一个的喷嘴数目与其余喷嘴群组的喷嘴数目不同。
本发明的说明性方面设计成用于解决本文中描述的问题和/或未讨论的其它问题。
附图说明
根据结合附图进行的本发明的各个方面的以下详细描述，将更容易了解本发明的这些和其它特征，附图描绘了本发明的各种实施例，其中：
图1是现有技术蒸汽涡轮系统的纵向横截面视图。
图2是根据本发明的实施例的冲动级外壳的正视图。
图3是根据本发明的实施例的冲动级的示意性横截面视图。
图4是根据本发明的实施例的蒸汽涡轮系统的纵向横截面视图。
图5是根据本发明的实施例的蒸汽涡轮系统的示意图。
图6是根据本发明的实施例的蒸汽涡轮系统的示意图。
图7是根据本发明的实施例的蒸汽涡轮系统的示意图。
图8是根据本发明的实施例的蒸汽发电设备系统的示意图。
应注意，本发明的附图不按比例绘制。附图旨在仅描绘本发明的典型方面，因此不应视为对本发明范围的限制。在附图中，相同的数字表示各图之间的相同元件。
具体实施方式
首先，为了清楚地描述本发明，将有必要在指代和描述蒸汽涡轮内的相关机器部件时选择某些术语。此时，如有可能，将通过与其公认的含义一致的方式使用和采用通用的工业术语。除非另有说明，否则此类术语应获得与本申请的语境和所附权利要求书的范围一致的广义解释。所属领域的技术人员应了解，特定的部件常常可能使用若干个不同或重叠的术语来指代。在本文中可能描述为单件的对象在另一语境下可以包括多个部件和被引用为由多个部件组成。或者，在本文中可能描述为包括多个部件的对象可能在其它地方被引用为单件。
另外，若干描述性术语可以在本文中经常使用，并且在此入口部分的开始处定义这些术语将证明是有帮助的。除非另有说明，否则这些术语及其定义如下所述。如本文中所使用，“下游”和“上游”是指示相对于例如通过涡轮发动机的工作流体等流体的流动或例如通过燃烧室的空气或通过涡轮的部件系统中的一个的冷却剂的流动的方向的术语。术语“下游”对应于流体流动的方向，并且术语“上游”是指与流动相反的方向。在没有任何进一步指明的情况下，术语“前”和“后”是指方向，其中“前”是指发动机的前端或压缩机端，并且“后”是指发动机的后端或涡轮端。常常需要描述相对于中心轴线处于不同径向位置的部件。术语“径向”是指垂直于轴线的移动或位置。在这样的情况下，如果第一部件位于比第二部件更靠近轴线的位置处，那么在本文中将表述为第一部件在第二部件的“径向向内”处或“内侧”处。另一方面，如果第一部件位于比第二部件更远离轴线的位置处，那么在本文中可以表述为第一部件在第二部件的“径向向外”处或“外侧”处。术语“轴向”是指平行于轴线的移动或位置。最后，术语“周向”是指围绕轴线的移动或位置。应了解，此类术语可以相对于涡轮的中心轴线而应用。
如本文中所使用，“大约”指示值的+/-10％，或者如果指的是范围，那么指示所陈述值的+/-10％的范围。
通常，蒸汽发电设备(steampowerplants)在恒定压力模式(constantpressuremode)或滑动压力模式(slidingpressuremode)下操作时会发电。当在恒定压力模式下操作时，对蒸汽涡轮控制阀进行节流以便控制蒸汽涡轮入口处(atthesteamturbineinlet)的蒸汽压力。当在滑动压力模式下操作蒸汽发电设备时，控制阀维持在恒定位置处且蒸汽压力受锅炉控制环路控制。在滑动压力模式下操作的蒸汽发电设备的技术现状为通过借助hp涡轮进口阀对新鲜蒸汽进行节流而以低负载及最小负载维持最小压力。节流用于通过减小阀区域(valvearea)来卸除(shed)负载。当蒸汽穿过狭窄区域时，其以热(焓)为代价获取动能。蒸汽膨胀超出阀使得所产生动能中的一些转换为摩擦热。结果是保留了一定焓，但损失了压力且使熵增加(损失了能量可利用率)。在涡轮入口的阀和所有后续固定叶片处产生的压降限制通过涡轮系统的质量流且因此限制功率输出。设备负载越低，那么节流损耗越高且循环效率越低。
与冲动轮针对负载情况的总范围而用于固定压力蒸汽发电设备的技术现状相比，本发明的实施例提供在固定的最小压力操作期间的低负载和最小负载期间用于滑动压力发电设备中的冲动轮。
参考附图，图1展示现有技术蒸汽涡轮系统10的纵向横截面视图。蒸汽涡轮系统10包括转子12，所述转子12包括旋转轴14和多个轴向隔开的(axiallyspaced)转子轮16。多个旋转叶片(rotatingblades)20机械地连接到每一转子轮16。更确切地说，叶片20被布置成围绕每一转子轮16周向性延伸的行。多个静止轮叶(stationaryvanes)22围绕轴14从定子24周向性延伸，且所述轮叶轴向地定位于叶片20的相邻行(adjacentrows)之间。静止轮叶22与叶片20配合以形成一级且界定通过涡轮系统10的蒸汽流动路径的一部分。
在操作中，蒸汽26进入涡轮10的入口28且被引导通过静止轮叶22。轮叶22相对于叶片20将蒸汽26导向下游。蒸汽26穿过其余的级，从而对叶片20施加力，使得轴14旋转。涡轮系统10的至少一个端部可轴向地延伸远离转子12且可附接到负载或机械(未示出)，例如但不限于发电机和/或另一涡轮。蒸汽26作为通过出口30的排气29离开涡轮10。
在图1中，涡轮系统10包括许多叶片级。级32是第一叶片级且是叶片级中的最小级(在径向方向上)。级34是第二级且是沿轴向方向在第一叶片级32下游的下一级。级36是最后一个叶片级且是最大的级(在径向方向上)。
一般来说，本发明的实施例将冲动级与高压(hp)涡轮集成以便在蒸汽发电设备的低负载操作期间减小所得节流损耗。一般来说，冲动级被配置在hp涡轮的叶片级的上游且包括冲动轮(impulsewheel)和具有喷嘴群组的外壳。
图2是根据本发明的各方面的用于示范性冲动级的外壳100的示范性实施例的正视图。在所展示的实施例中，外壳100具有四个入口区段102、104、106和108。所属领域的技术人员将认识到根据本发明的实施例可在外壳内包括两个或更多个入口区段(inletsections)且不限于图2中所描绘的四个入口区段。
在图2中展示的示范性实施例中，入口区段102、104、106和108分别具有对应的喷嘴群组110、112、114和116。冲动轮(未示出)被配置成在对应的喷嘴群组的前方同轴，使得例如被馈送通过入口区段102的蒸汽流将通过对应的喷嘴群组110离开外壳100且冲击在冲动轮的周向地接近喷嘴群组110的叶片上。
图3是集成到蒸汽涡轮系统的壳体118中的外壳100的横截面视图。外壳100具有入口区段102、104、106和108，所述入口区段分别具有对应的喷嘴群组(nozzlegroups)110、112、114和116。套管(conduit)119将蒸汽提供到入口区段102且包括用以控制通过区段102的蒸汽流的控制阀120。套管121将蒸汽提供到入口区段104且包括用以控制通过区段104的蒸汽流的控制阀122。套管123将蒸汽提供到入口区段106且包括用以控制通过区段106的蒸汽流的控制阀124。套管125将蒸汽提供到入口区段108且包括用以控制通过区段108的蒸汽流的控制阀126。
喷嘴群组110、112、114和116各自可具有多个单独喷嘴，例如喷嘴128和喷嘴130。在示范性实施例中，每一喷嘴群组110、112、114和116可具有不同数目个包括在喷嘴群组中的单独喷嘴。举例来说，入口区段102可具有包括八个单独喷嘴的喷嘴群组110，而入口区段104可具有包括十一个单独喷嘴的喷嘴群组112。此外，在示范性实施例中，喷嘴群组110、112、114和116可在单独喷嘴的大小上变化。举例来说，入口区段108可具有包括各种单独喷嘴130的喷嘴群组116，所述喷嘴130可大于入口区段106的喷嘴群组114中的喷嘴128。
仍参考图3，外壳100的入口区段102、104、106和108分别具有对应的入口132、134、136和138。在操作中，对应的控制阀120、122、124和126通过在对应的入口132、134、136和138处进行节流而各自控制通过对应的喷嘴群组110、112、114和116的蒸汽流。对应的控制阀120、122、124和126受控制模块(未示出)控制且可单独地加以节流，这将在下文更详细地解释。
图4是根据本发明的实施例的蒸汽涡轮系统200的纵向横截面视图。系统200包括沿着第一轴204轴向地布置的多个叶片级202。在所展示的示范性实施例中，叶片级202由转子叶片206形成，所述转子叶片206机械地连接到第一轴204且与机械地连接到定子210的静止轮叶208协作。冲动级212被配置在沿轴向方向的叶片级202的上游。冲动级212具有冲动轮214和外壳216，所述外壳216具有多个周向性隔开的喷嘴群组，所述喷嘴群组中可仅看到单独喷嘴218和220。外壳216可与壳体222一体地形成，或外壳216可以是单独的部件，例如，如图3中展示的外壳100和壳体118。
出于清楚起见，将在冲动级212的外壳216是图3中展示的外壳100的实例实施例中解释图4中的蒸汽涡轮系统200的操作。参考图3和图4，在低负载或最小负载操作中，蒸汽涡轮系统200可使第一蒸汽流被提供成在经由出口224离开蒸汽涡轮系统200之前通过冲动级212和下游叶片级202。通过外壳100的第一蒸汽流的路径受对应的控制阀120、122、124和126(标记在图2中)控制。举例来说，如果控制阀120是打开的，那么第一蒸汽流可通过入口132进入入口区段102且通过喷嘴群组110离开外壳100。如果控制阀124也是打开的，那么第一蒸汽流可分别通过入口132和136进入入口区段102和106，且分别通过喷嘴群组110和114离开外壳100。第一蒸汽流离开期望的(desired)喷嘴群组的喷嘴且在流动通过叶片级202之前与冲动轮214相互作用，并且通过出口224离开。或者，蒸汽涡轮系统200可通过入口226提供第二蒸汽流，其中第二蒸汽流流动通过叶片级202且通过出口224离开同时绕过冲动级212。
此与经由主要hp涡轮控制阀(在图3中被标记为入口226且在图5至7中被标记为入口230)对新鲜蒸汽进行节流的蒸汽发电设备的技术现状形成对比，所述蒸汽发电设备的技术现状产生较低的蒸汽循环效率。通常，hp蒸汽涡轮还具有若干个控制阀。实际上，本发明的实施例提供冲动轮以及具有喷嘴群组的外壳，所述喷嘴群组在固定的最小压力模式期间处于操作中，而主要hp涡轮控制阀是关闭的。因而，在本发明的实施例中，hp涡轮进口处的压降通过借助进入期望的喷嘴群组而在冲动轮处转变成机械能，从而增加低负载下的蒸汽循环效率。
控制阀120、122、124和126受控制模块(未示出)控制。在一实施例中，入口区段102、104、106和108被设计成使得，当蒸汽发电设备负载减小到足以使最小压力模式可以维持以便保护锅炉的负载时，所有控制阀120、122、124和126是打开的。通常，维持滑动压力发电设备中的固定的最小压力模式，例如，从大约30％到40％负载处开始。此外，在一实施例中，入口区段被设计成使得控制阀120、122、124或126中的仅一个在最小设备负载操作期间是完全打开的。对于维持最小压力模式的开始与最小设备负载操作之间的其余递减负载点，可供使用的控制阀依序打开或关闭。因而，节流损耗可减小，是因为一次一个地对控制阀120、122、124和126进行节流。
在一实施例中，入口区段102、104、106和108被设计成使得直径地相对的(diametricallyopposing)入口区段具有其对应的在最小设备负载操作期间完全打开的控制阀。举例来说：具有控制阀120的入口区段102与具有控制阀124的入口区段106直径地相对；且具有控制阀122的入口区段104与具有控制阀126的入口区段108直径地相对。
因此，与蒸汽涡轮系统的技术现状相比，本发明的实施例在固定的最小压力模式期间对冲动级入口中的控制阀120、122、124和126进行节流，而非对控制蒸汽通过入口226(图4中展示)的阀进行节流。因而，节流损耗可减小，是因为一次一个地对控制阀120、122、124和126进行节流。穿过控制阀120、122、124和126的蒸汽中的其余压降在对应的喷嘴群组110、112、114和116的喷嘴中减小，且所获得蒸汽速度用于致动冲动轮。在入口区段具有大小不同的喷嘴和不同的喷嘴数目的情况下，有效涡轮进口和在此情况下的通流能力可适于当前体积流量。
图5是图4中展示的蒸汽涡轮系统200的示意图。系统200包括沿着第一轴204轴向地布置的多个叶片级202。冲动级212被配置在叶片级202的上游。在操作中，馈送管线(feedline)228提供例如来自锅炉(未示出)的初始蒸汽流，且控制阀230和232指示蒸汽流在哪里进入系统200。举例来说，关闭控制阀230并打开控制阀232使得馈送管线228提供通过冲动级212和下游叶片级202的第一蒸汽流动路径，如上文所描述。并且，举例来说，关闭控制阀232并打开控制阀230使得馈送管线228提供通过叶片级同时绕过冲动级212的第二蒸汽流动路径，同样如上文所描述。
图6是根据本发明的实施例的示范性蒸汽涡轮系统300的示意图。系统300可包括旁路路径302，在旁路路径302来自冲动级304的排气绕过一个或若干个叶片级306。在实例实施例中，冲动级304的喷嘴群组被配置成指引蒸汽流绕过多个叶片级306中的至少一个。如果冲动级304下游的第一个叶片级306或前几个叶片级306上的压降并未大到足以使来自冲动级304的排气流动通过系统300，那么系统300是有益的。在此情况下，旁路路径302将冲动级304的排气流体地连接到叶片级306，叶片级306中的压力低于冲动级中的压力。在实例实施例中，旁路路径302在涡轮系统的壳体外部。系统300类似于图5中的系统200，其类似之处在于馈送管线228提供初始蒸汽流且控制阀230和232指示蒸汽流在哪里进入系统200。
图7是根据本发明的实施例的示范性蒸汽涡轮系统400的示意图。系统400包括围封叶片级404的第一壳体402和围封冲动级408的第二壳体406。叶片级404和冲动级408被布置成沿着轴410。蒸汽管线412将冲动级408与叶片级404流体地连接。在实例实施例中，类似于图6中的系统300，蒸汽管线412可绕过一个或几个叶片级404。系统400类似于图5中的系统200，其类似之处在于馈送管线228提供初始蒸汽流且控制阀230和232指示蒸汽流在哪里进入系统400。
图8是根据本发明的实施例的蒸汽循环发电设备500的一部分的示意图。设备500具有蒸汽涡轮系统502。蒸汽涡轮系统502包括围封叶片级506的第一壳体504和围封冲动级510的第二壳体508。在实例实施例中，第一壳体504包括第一轴，且第二壳体508包括第二轴。蒸汽管线512将冲动级510与叶片级506流体地连接。在实例实施例中，类似于图6中的系统300，蒸汽管线512绕过一个或几个叶片级506。蒸汽涡轮系统502具有沿着连接到主要发电机516的主轴514布置的叶片级506和沿着连接到辅助发电机(ancillarygenerator)520的单独轴518布置的冲动级。如果空间不足以安装围封叶片级506的第一壳体504与中压(ip)涡轮522之间的冲动级，那么蒸汽涡轮系统502的配置是有益的。蒸汽涡轮系统502类似于图5中的系统200，其类似之处在于馈送管线228提供初始蒸汽流且控制阀230和232指示蒸汽流在哪里进入系统502。
设备500具有作为hp涡轮524的蒸汽涡轮系统502，所述蒸汽涡轮系统502或hp涡轮524以所属领域中已知的方式流体地连接到ip涡轮522和低压(lp)涡轮526。
在实例实施例中，设备500的hp涡轮524可以是分别在图5、图6和图7中展示的蒸汽涡轮系统200、300和400中的任一个，而非如图8中展示的蒸汽涡轮系统502。
所附权利要求书中的所有构件或步骤加功能元素的对应的结构、材料、动作和等同物旨在包括如具体要求保护的用于与其它要求保护的元素结合执行功能的任何结构、材料或动作。已出于说明和描述目的呈现了本发明的描述，但这并非意图为穷举性的或使本发明局限于所公开形式。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于所属领域的技术人员来说将是显而易见的。选择和描述实施例是为了最好地解释本发明及其实际应用的原理，并且使所属领域的其它技术人员能够针对具有适合设想到的特定用途的各种修改的各种实施例而理解本发明。