专利名称：汽轮机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种汽轮机，它有一根沿透平轴线定向的透平轴，沿透平轴设多个透平级，它们分别包括一个导向叶片结构和一个沿轴向设置在它后面的动叶片装置。
已知的汽轮机分为冲动式透平(又称等压式透平)和反动式透平(又称过压式透平)。它们具有一根透平轴，轴上设有动叶片，以及有一个内壳，内壳上设有位于沿轴向间隔设置的动叶片之间的导向叶片。
在等压式透平中，在被导向叶片缩小的通道内全部能量降基本上转化为流动动能。与此同时流速增加和压力下降。在动叶片内压力和相对速度基本保持常数，这是通过净宽度保持恒定的通道达到的。因为相对速度的方向改变，所以产生冲击力，冲击力推动动叶片并因而引起透平轴旋转。在绕流动叶片时绝对速度值明显降低，所以气流将其大部分动能给予动叶片并因而传输给透平轴。
在过压式透平中，在流过导向叶片时只有一部分能量降转化为动能。其余能量降在动叶片之间构成的动叶片通道内促使相对速度增大。在等压式透平中叶片力几乎仅仅是冲击力，而在过压式透平中，或多或少的较大部分源于速度值的改变。由于在动叶片位于下游和位于上游的两侧之间存在压差，所以称之为过压式透平(Ueberdruckturbine)。因此在过压式透平中在压力改变的同时发生速度值的变化。
在热力流体机械中，在动叶片内的等熵焓降与通过一个由导向叶片环和动叶片环组成的级引起的全部等熵焓降的百分比称为等熵反动度r。这样的级称为纯等压级，即其中反动度r＝0以及产生最大的焓降。在经典的过压级中反动度r＝0.5，所以在导向叶片内的焓降与在动叶片内的焓降大小完全相等。例如反动度r＝0.75称为强反动度。在汽轮机的实际结构中基本采用经典的过压级和等压级。但后者通常具有与零略有差别的反动度r。
此外还使用术语箱室式汽轮机(Kammerturbine)和转鼓形透平(Trommelturbine)。通常等压式透平按箱室式结构形式设计，过压式透平按转鼓结构形式设计。箱室式透平有一个外壳，它通过轴向彼此间隔设置的隔板分成多个腔室。在每个这种腔室内旋转一个轮盘式转子，动叶片装在转子外圆周上，而导向叶片装入隔板中。箱室式结构形式的优点在于，隔板在其内边缘借助于迷宫式密封装置可真正极为有效地密封透平轴。因为密封直径小，所以缝隙的横截面并因而缝隙流动损失也小。在已知的透平中这种结构形式只用在小的反动度情况下，亦即大的级焓降并因而较少的级数。在一个轮盘两侧的压差在小的反动度情况下较小，在极限情况下甚至为零。作用在转子上的轴向推力很小因而可由轴向止推轴承承受。
在转鼓形透平中动叶片直接装在转鼓形透平轴的外圆周上。导向叶片或直接装在汽轮机外壳内或装在导向叶片支架内。动叶片或导叶片也可以设有围带，迷宫式密封装置装在围带上，从而实现在导叶片或动叶片与透平轴或内壳之间密封缝隙的密封。因为此密封缝隙至少在动叶片的情况下处于大的半径上，所以缝隙流动损失肯定比箱室式透平大得多。由于反动度较高，例如r＝0.5，所以在叶片通道内形成有利的流动路程并因而有高的效率。轴向的结构长度和单级的成本低于箱室式透平，当然级数必须更多，因为反动级处理的焓降较小。在叶片组内产生的轴向推力相当大。抵消这种轴向推力的一种可能性是设一平衡活塞，通过一连接管道将排气接管的压力引到它的前面。
在DE-AS 2054465中描述了一种转鼓结构形式的汽轮机。在其罐状外壳内装有一根带动叶片的透平轴以及一个包围该透平轴的内壳。导向叶片受内壳支承。内壳通过相应的支承和定心部位与外壳连接以承受轴向推力。
在DE-PS 312856中描述了一种高反动度的过压式汽轮机，其中在一个外壳内设有多个级组。在不同的透平级内达到不同的反动度，在级组开始处的透平级有明显超过0.5的反动度，而在结束处的透平级有明显低于0.5的反动度。彼此有轴向间距的级分别具有不同的反动度。在这里多个透平级组成分组，多个分组构成一个过压式叶片组。在第一过压式叶片组内每个分组中的反动度朝蒸汽出口方向增大，所有分组的平均反动度朝蒸汽出口方向当然减小。在第二个配属于蒸汽出口的过压式叶片组内，每个分组中的反动度朝蒸汽出口方向减小。平均反动度有一个当地最大值。
在DE-PS 880307中提供了一种按转鼓结构形式设计的过压汽轮机。此汽轮机设计为除最后一级外，前面那些级的反动度朝排汽区方向连续增加并明显高于0.5。仅仅在最后级反动度降至低于0.5的值。
在US-PS 1622805中介绍了一种汽轮机段相互流体力学连通的装置。因此在设计汽轮机时可获得较大的自由度。其中描述了一种箱室式高压汽轮机在其最高蒸汽压力区段的结构。在同一个外壳内在较低的蒸汽压力处连接一设计为转鼓结构形式并具有反动级的汽轮机段。随后的低压部分在此设计为双流道结构形式。
本发明的目的是提供一种具有高效率的汽轮机。
本发明的目的是通过这样一种汽轮机来实现的，其具有一根沿透平轴线定向的透平轴，其中沿此透平轴设多个透平级，它们分别包括一导向叶片结构和沿轴向在它后面的动叶片装置，至少有两个透平级可达到彼此各不相同的平均反动度，以及在一半以上的透平级中反动度低于0.5。按另一种可选择的方案或附加地使蒸汽进口处的反动度在0.2与0.4之间，尤其在0.25与0.35之间，以及在蒸汽出口处的反动度在0.4与0.6之间，尤其在0.45与0.55之间。平均反动度(平均的级反动)表征在透平级动叶片装置中转换的焓降与在透平级内转换的全部焓降之比。
根据汽轮机使用范围通过改变反动度的设计参数可获得高的效率。在过热蒸汽流入蒸汽进口并在沿轴向流过后从蒸汽出口流出的汽轮机内，反动度在蒸汽进口与蒸汽出口之间变化。反动度最好从透平级到透平级逐级改变，所以在针对每个透平级考虑到蒸汽压力、蒸汽温度、蒸汽质量流量的情况下，为达到特别高的效率应有的有利的平均反动度在设计汽轮机时就已经可以确定。在汽轮机中，尤其是在转鼓结构形式的汽轮机段中，平均反动度至少在5％与70％之间，尤其在10％与50％之间的范围内，最好低于45％。在这里反动度可根据使用范围从透平级到透平级逐级增大、减小或首先有一个当地极值(极大值和/或极小值)。当地极大值最好不甚明显，也就是说它与蒸汽进口或蒸汽出口处的反动度值的偏离约0.1。反动度的变化曲线最好单调下降或单调上升。反动度最好变动(在两个透平级之间的差值)约0.1，尤其大于0.2。在汽轮机，尤其是箱室式结构的汽轮机段中，平均反动度最好在5％与35％之间，尤其低于20％。
尤其在中压汽轮机段中透平级可组合成级组，其中至少第一级组中的一个透平级的反动度与第二级组中的一个透平级的反动度是不同的。在高压汽轮机段中同样可以设置级组。
在高压汽轮机段按转鼓结构形式的情况下，在流动技术上处于下游的中压汽轮机段按箱室式结构形式或最好按转鼓结构形式设计。高压汽轮机段和中压汽轮机段可以分别设置在各自单独的外壳内或设在一共同的外壳内(小型汽轮机)。中压汽轮机段同样可按转鼓结构形式设计，而在上游的高压汽轮段按箱室式结构形式设计。按转鼓结构形式的高压汽轮机段可以设在一罐状外壳中。该高压汽轮机段的外壳也可以设计成沿轴向分为两半。
通过使透平级的平均级反动度在10％与50％之间，最好低于45％，当蒸汽流过时产生的轴向推力比具有平均反动度为50％和50％以上的过压级要小。因此可以设置一个较小的推力平衡活塞，进而可以降低活塞漏汽损失并提高汽轮机的总效率。
因此，沿流动方向前后相继的透平级之间的反动度可设计为变化的。反动度从透平级到透平级逐级可取各不相同的值，尤其是沿流动方向连续减小或增大。根据汽轮机的使用范围(蒸汽压力、蒸汽温度、质量流量及发电功率和热功率)，通过预先确定各透平级的平均反动度，可以生产出一种在所要求的使用范围内效率特别高的汽轮机。
不言而喻，无论高压汽轮机段还是中压汽轮机段均可按转鼓结构形式设计，以及，若不是全部透平级那也是一个透平级或多个透平级可设计为具有低于50％，尤其是低于45％的平均反动度。
下面借助附图所示实施例进一步描述汽轮机的结构，附图中
图1为具有箱室式结构形式的一高压汽轮机段和转鼓结构形式的一中压汽轮机段的单壳体式汽轮机的纵剖面；图2为具有设置在彼此分开的外壳内的高压汽轮机段和中压汽轮机段的汽轮机的纵剖面；以及图3为沿多个透平级的反动度的变化曲线。
图1表示只有一个外壳4的汽轮机1。沿透平轴线15定向的透平轴6穿过该外壳。此透平轴6在图中未示出的贯穿孔处借助于有关的轴密封装置9相对于外壳4密封。在外壳4内部设置箱室式结构形式的高压汽轮机段2。它有高压叶片组，包括与透平轴6连接的动叶片装置11和与高压内壳14连接的示意表示的导向叶片结构12。在内壳14的内部设置有转鼓结构形式的中压汽轮机段3，它有动叶片装置11和为了视图清晰起见仍然是示意表示的导向叶片结构12。透平轴6在一端有联轴器10，用于与图中未示出的一发电机或图中未示出的一低压汽轮机段连接。沿轴向在高压叶片组与中压叶片组之间设计有透平轴6的一个区段13(隔板)，它通过相应的轴密封装置9相对于内壳14密封。透平轴6朝中压汽轮机段3的方向在隔板13内有一槽13a，通过它在隔板13处形成端面。此隔板13在流动技术上与中压汽轮机段3的入流区7b和与高压汽轮机段2的蒸汽进口7a连通。流入蒸汽进口7a的具有例如压力约170bar和560℃的新蒸汽，沿轴向流过高压汽轮机段2的叶片组，并在较低的压力下从高压汽轮机段2的蒸汽出口8a流出。该已部分膨胀的蒸汽从那里输入图中未示出的一中间再热器并经由中压汽轮机段3的蒸汽进口7b重新供入汽轮机1中。经中间再热流入蒸汽进口7b并沿轴向流过中压汽轮机段3的蒸汽，经蒸汽出口8b离开中压汽轮机段3。分别由导向叶片结构12与沿流动方向在它后面的动叶片装置11组成的透平级17a、17b、17c分成三个级组18a、18b、18c。透平级17a的平均反动度最好大于透平级17b的平均反动度，透平级17b的反动度又大于透平级17c的反动度。反动度也可根据汽轮机拟定的使用范围减小或交替地增大和减小。同样也可以令各级组18a、18b、18c的透平级17a、17b、17c的反动度改变，尤其朝蒸汽出口8b的方向从透平级到透平级逐级改变。
为承受按转鼓结构形式设计的中压汽轮机段3的轴向推力，设置一推力平衡活塞5，它通过一压力管道16与中压汽轮机段3的蒸汽出口8b连接。此推力平衡活塞5设在高压汽轮机段2的蒸汽出口侧，所以高压汽轮机段2沿轴向布置在推力平衡活塞5与隔板13亦即中压汽轮机段3之间。在此汽轮机1下游可依照图1所示的结构形式设一低压汽轮机段。
图2表示一汽轮机1，它具有一带外壳4a的高压汽轮机段2以及一个沿轴向与之相隔一定距离带外壳4a的中压汽轮机段3。该中压汽轮机段3设计成双流道结构形式。高压汽轮机段2穿过外壳4a的透平轴6a通过联轴器10与穿过中压汽轮机段3的外壳4b的透平轴6b连接。在透平轴6b上设有另一个联轴器10，用于与图中未示出的一发电机或图中未示出的一低压汽轮机段连接。高压汽轮机段按转鼓结构形式设计，而中压汽轮机段按箱室式结构形式设计。沿轴向在蒸汽进口7a与外壳4a之间设有一设计为推力平衡活塞5的隔板。它在外壳侧与蒸汽出口8a在流动技术上连接起来，所以在蒸汽进口7a与蒸汽出口8a之间的压差基本上等于沿轴向通过推力平衡活塞5的压降。有关高压汽轮机段2以及中压汽轮机段3的结构特征和功能特征可参见对图1的说明。
在高压汽轮机段2中，导向叶片结构12布置在沿轴向贯通的内壳14中，没有再分成级组。透平级17a的反动度大于沿流动方向在它后面的透平级17b的反动度。在这里，蒸汽流从蒸汽进口7a沿轴向流往蒸汽出口8a。
图3借助于四条曲线20a、20b、20c和20d举例表示反动度r在多个(这里是14个)沿流动方向串排的透平级上的变化过程。第1号透平级配属于蒸汽进口区7a、7b，第14号透平级配属于蒸汽出口8a、8b。按照曲线20c，反动度r从第1号透平级的值0.65起单调地减少到第14号透平级的反动度r＝0.25。按照曲线20a的反动度r变化过程，刚开始时在第1号透平级处具有反动度值0.1，然后顺着沿流动方向前后串联的透平级连续地升高到约0.55的值。对于汽轮机的另一个使用范围，用曲线20b表示反动度r的变化过程。在第1号透平级处反动度r的值为0.25，接着连续地降低直至第9号透平级，在那里达到一约为0.25的极小值，然后重新连续增大到第12号透平级上约0.3的反动度值，随后再次连续减小到第14号透平级处的0.275的反动度值。第四条曲线20d处于平均反动度的一个单调上升的带状区内。此带状区在蒸汽进口7a、7b与蒸汽出口8a、8b之间有数量级0.2的带宽。在第1号透平级处带状区在约0.2与0.4之间，而在第14号透平级处带状区在约0.4与0.6之间。
本发明的特征在于这种汽轮机具有在5％与75％之间的透平级反动度。在蒸汽进口7a、7b和蒸汽出口8a、8b之间沿流动方向彼此相继的透平级的平均反动度最好基本上单调变化。它可以根据汽轮机的使用范围增加、减少或交替变换。
权利要求
1.一种汽轮机(1、2、3)，其具有一根沿透平轴线(15)定向的透平轴(6、6a、6b)、一个蒸汽进口(7a、7b)和一个蒸汽出口(8a、8)，其中，沿透平轴(6、6a、6b)设有多个透平级(17、17a、17b)，它们分别包括一个导向叶片结构(12)和一个沿轴向在它后面的动叶片装置(11)，其中在一半以上的透平级(17、17a、17b)中平均反动度(r)可达到0.5以下，至少在两个透平级(17、17a、17b)中反动度是不同的。
2.一种汽轮机(1、2、3)，其具有一根沿透平轴线(15)定向的透平轴(6、6a、6b)、一个蒸汽进口(7a、7b)和一个蒸汽出口(8a、8)，其中，沿透平轴(6、6a、6b)设有多个透平级(17、17a、17b)，它们分别包括一个导向叶片结构(12)和一个沿轴向在它后面的动叶片装置(11)，其中每一个透平级(17、17a、17b)可达到一个平均反动度(r)，这些透平级(17、17a、17b)设计为使平均反动度(r)在蒸汽进口(7a、7b)与蒸汽出口(8a、8)之间基本上单调下降或单调上升地变化。
3.按照权利要求1或2所述的汽轮机(1、2、3)，其中，反动度(r)在r＝0.05与r＝0.7之间变化。
4.按照上述任一项权利要求所述的汽轮机(1、2、3)，其中，在蒸汽进口(7a、7b)处的反动度(r)在r＝0.2与r＝0.4之间，在蒸汽出口(8a、8b)处的反动度(r)在r＝0.4与r＝0.6之间。
5.按照上述任一项权利要求所述的汽轮机(1、2、3)，其中，在蒸汽进口(7a、7b)与蒸汽出口(8a、8b)之间的反动度(r)有一个不明显的当地极值。
6.按照上述任一项权利要求所述的汽轮机(1、2、3)，它按转鼓结构形式设计，在该汽轮机中反动度(r)在10％与65％之间。
7.按照权利要求1至5中任一项所述的汽轮机(1、2、3)，它按箱室式结构形式设计，在该汽轮机中反动度(r)在5％与35％之间，尤其低于20％。
8.按照上述任一项权利要求所述的汽轮机(1)，其中，每两个或多个透平级(17a、17b)组合成一个有关的级组(18a、18b)，以及至少第一级组(18a)的透平级(17a)有与第二级组(18b)的透平级(17b)不同的反动度(r)。
9.按照上述任一项权利要求所述的汽轮机(1)，其具有一高压汽轮机段(2)，它按转鼓结构形式设计。
10.按照权利要求9所述的汽轮机(1)，其具有一个在流动技术上与高压汽轮机段(2)连接的中压汽轮机段(3)，它尤其是按箱室式结构形式设计。
11.按照权利要求1至8中任一项所述的汽轮机(1)，其具有一个中压汽轮机段(3)，它按转鼓结构形式设计。
12.按照权利要求11所述的汽轮机(1)，其具有一个在流动技术上与中压汽轮机段(3)连接的高压汽轮机段(2)，它尤其是按箱室式结构形式设计。
13.按照权利要求10或12所述的汽轮机(1)，其具有一个外壳(4)，高压汽轮机段(2)和中压汽轮机段(3)设在其中。
14.按照权利要求10或12所述的汽轮机(1)，其中，高压汽轮机段(2)具有一罐状外壳(4a)，而中压汽轮机段(3)具有一个沿轴向与该外壳(4a)间隔设置的外壳(4b)。
15.按照权利要求14所述的汽轮机(1)，其中，所述中压汽轮机段(3)设计为双流道结构形式。
全文摘要
本发明涉及一种汽轮机(1、2、3),它具有一根沿透平轴线(15)定向的透平轴(6、6a、6b)。沿透平轴(6、6a、6b)设有多个透平级(17、17a、17b),它们分别包括一个导向叶片结构(12)和一个沿轴向在它后面的动叶片装置。在一个透平级内可达到的平均反动度(r)在5%与70%之间。至少两个透平级(17a、17b)的反动度(r)有不同的值。
文档编号F01D5/14GK1242818SQ98801633
公开日2000年1月26日 申请日期1998年1月9日 优先权日1997年1月14日
发明者海因里希·奥因豪森, 威尔弗里德·厄尔姆, 密克海尔·西金, 简－埃里克·米勒, 英戈·斯蒂芬, 沃尔克·西蒙, 拉尔夫·贝尔, 乌尔里克·卡佩勒 申请人:西门子公司