专利名称：透平及导出漏泄流体的方法
技术领域：
本发明涉及一种带有单转子的透平，尤其是带有单转子的汽轮机，其转子有一个安装工作叶片的叶片区和一个推力平衡活塞，该推力平衡活塞有一个面朝叶片区的热侧和一个背对叶片区的冷侧。本发明还涉及一种将经推力平衡活塞流出的漏泄流体导出的方法。
在1968年12月3日的德国实用新型6809708中描述了一种多壳体、阻流调节的高温高压轴流式汽轮机。此汽轮机有一个内壳部分和一个导流叶片支架，它们在结构上组合成一个唯一的、沿轴向平面分开的内壳层。该内壳层被一个罐状结构的外壳包围。内壳层本身围绕着也称为转子的透平轴，其上有一个带有工作叶片的叶片区。在转子彼此相对的每一端设有转子与外壳之间的轴密封装置。在转子的一端，流过汽轮机的蒸汽进入叶片区，并导致转子绕其旋转轴线作旋转运动。在相对的另一端，当时至少已部分膨胀的蒸汽从叶片区和汽轮机排出。在这种情况下蒸汽对转子施加一个推力。为了抵消此推力，转子在蒸汽流入的那一端有一个平衡活塞装置。它的特点在于其面朝叶片区的端面的面积大于其背对叶片区的端面的面积。在美国专利说明书US-3754833中描述了一种类似的罐形结构汽轮机。
在德国专利说明书DE-281253中给出了一种船用透平卸荷装置。此透平包括一个带有冲动-反动机组的前进和倒车透平，这些机组装在唯一的一个壳体内，并通过筒壁卸荷。为了给透平卸荷，在前进透平与轴承之间设置了部分卸荷面。由此不仅在船向前行驶而且在船向后行驶时，均能实现叶片推力和船用螺旋浆推力的卸荷。
在德国专利申请公开说明书DE 19701020中描述了一种带有高压和中压透平段的汽轮机，该高压和中压透平段可通过透平级来改变其反动度。在这里，中压和高压透平段可装在一个唯一的壳体内，以及每个透平段设计为单流道的。为了接受鼓形结构中压透平段的轴向推力，设置了一个推力平衡活塞。它布置在轴承与高压透平段之间。在与轴承相近的一侧，推力平衡活塞受到来自中压透平段排汽区蒸汽的作用，而在与高压透平段相近的另一侧受到来自高压透平段的蒸汽的作用。这些透平段也可以安装在两个分开的壳体内。在单流道的情况下同样设置一个推力平衡活塞。
本发明要解决的技术问题是提供一种具有推力平衡装置、用于高温驱动工质的透平。本发明的另一个要解决的技术问题是提供一种将推力平衡装置的漏泄蒸汽导出的方法。
按照本发明，上述针对透平提出的技术问题是借助于这样一种透平来解决的，该透平包括一个转子，该转子有一个用作工作叶片的叶片区和一个推力平衡活塞，该推力平衡活塞有一个面朝叶片区的热侧和一个背对叶片区的冷侧，其还包括一个混合区，在冷侧配设的密封流体输入通道及在流动上与叶片区连通的漏泄流体输送通道均通入此混合区，并从此混合区分路接出一条导出通道。
此外，推力平衡活塞为一种推力平衡装置，它以机械方式与透平的转子相连接，例如与之制成一体，尤其锻造或铸造，或与之焊接、螺钉连接或通过其他方式机械固定连接。尤其是，此推力平衡活塞有一些可通过介质如蒸汽或气体加载的表面，从而在推力平衡活塞上产生一个合力，该合力与工质在转子上沿转子旋转轴线方向作用的推力方向相反。
两个部分或两个区域在流动上连通指的是，流体可从一个区域(部分)流向另一个区域。流动上的连通例如借助于流体管路、孔或类似装置实现。
本发明以推力平衡活塞(以下简称活塞)与工质接触为出发点。这种工质可以在活塞与固定的透平部分(例如内壳)之间流过。由此形成工质的漏泄流。此漏泄流虽然可借助密封来减小，但并不可能通过非接触式密封实现完全密封。这种漏泄流可能有高的温度，在汽轮机中此温度达600℃，以及在燃气轮机中还要高。因而，热的漏泄蒸汽流可能出现在并非设计用于如此高温度的透平部分上。为避免发生这种情况，在热工质流动区之外的透平部分也必须采用适合于这种高温的、往往既昂贵又难以加工的材料制造。作为另一种替换方案，也可以在活塞背对热工质的那一端(以下称作冷侧)的流动区设置另一个密封区。作为辅助的或替换的方式，可设置一个用于抽出漏泄流的抽吸装置。在这种情况下，通过活塞的漏泄流反比于此附加密封区和在抽吸装置内所包含的抽吸管的流动阻力。然而这样也不能做到完全密封，因而也不能防止热漏泄流体作用在处于工质流动区之外的透平部分上。
按照本发明设置一个热漏泄流体与较冷的密封流体的混合区，从而形成了一种由这两种流体混合后的混合流体。然后此混合流体经导出通道从混合区排出。由此保证，与漏泄流体相比较冷的混合流体可控制地导入相应的透平区内。因而就漏泄流体而言实现了活塞的完全密封。由此可靠地避免漏泄流例如沿转子流出活塞。在这种情况下混合流体的温度优选处于热工质流动区之外的那些透平部分允许的使用温度之下。
作为一种优选方式，将混合区设在活塞的冷侧。由此可在漏泄流体输送通道中混合区与活塞热侧之间设置一个带有例如非接触式密封的密封区。
作为另一种优选方式，在活塞冷侧设置一个用于使密封流体沿径向向外流动的输送结构，且此输送结构与密封流体的输入通道在流动上相连通。尤其是输送结构具有多个导流件，如径向槽、径向孔、导流片或起同样作用的形状和几何结构。这样一种输送结构构成了一种径向通风机。
借助该输送结构，通过转子旋转就实现了密封流体朝着混合区方向的输送。从而无需其他附加装置便可使密封流体进入混合区内。借助输送结构产生的密封流体的流动因而优选地与漏泄流体的流动方向相反。
作为进一步的优选方式，输送结构与推力平衡活塞制成一体。尤其是，将导流件焊接或以类似的方式固定在活塞冷侧。
作为又一种优选方式，透平是一蒸汽透平(汽轮机)，尤其是一中压透平段。更优选地，透平设计为单流道的。
作为再一种优选方式，透平有一外壳，在外壳内设置一内壳。内壳围绕转子，其中在推力平衡活塞与内壳之间形成具有一径向间隙的漏泄流体输送通道。最好在这样一个间隙内设置非接触式密封。
按照本发明，上述针对方法提出的技术问题是通过一种导出热漏泄流体的方法来解决的，其中，透平中的漏泄流体流过在转子的推力平衡活塞与固定不动的透平部分之间的径向间隙，该热漏泄流体与较冷的密封流体混合，并被导出。有关此方法的优点和作用方式可参见上述对透平结构设计的说明。
通过漏泄流体与密封流体混合形成比漏泄流体温度低的混合流体，通过恰当地选择发生这种混合的地点，可以实现活塞的完全密封。在这里，漏泄流体最好在推力平衡活塞处、尤其在其冷侧与密封流体混合。
密封流体的流动最好通过转子的旋转产生。尤其是借助于一个设置在推力平衡活塞上的输送结构来实现。密封流体的流动方向优选沿径向向外。借助输送结构将密封流体沿径向向外输送。
若漏泄流体是热蒸汽，则作为密封流体优选采用蒸汽，其中密封流体是较冷的蒸汽。尤其在汽轮机中是这种情况。在燃气轮机中优选采用一种气体例如冷却空气作为密封流体。
下面借助在附图中所描述的实施方式对透平及导出漏泄流体的方法作进一步详细说明。
图1为高压汽轮机的纵剖面图；图2为汽轮机推力平衡活塞区的纵剖面图；图3为推力平衡活塞区的局部立体图。
在图1至3中相同的附图标记总是具有同样的含义。
图1以纵剖图方式描述了透平1，这里为罐形结构的高压汽轮机。该透平1有一个沿着旋转轴线19延伸的转子2。转子2被一内壳11围绕，内壳本身被外壳10围绕。转子2分别通过一个轴承22支承在外壳10两端。在转子2伸出外壳10的两端区25各设一轴密封24。转子2在热工质26(这里是热蒸汽)的流入区21与排汽区20之间有一叶片区3。在叶片区3内，转子2有沿轴向彼此相间隔的工作叶片4。内壳11上在轴向相邻的工作叶片4之间对应地安装了一排导流叶片23。
转子2有一推力平衡活塞5，其中，流入区21沿轴向看位于叶片区3与推力平衡活塞5之间。推力平衡活塞5(简称活塞5)面朝流入区21有一热侧6，背对流入区21有一冷侧7。
在透平1运行时，工质26流入流入区21，流过叶片区3，并经排汽区20离开透平1。工质26在流过叶片区3时，向工作叶片4、并因而向转子2施加一个力。由此形成沿旋转轴线19方向的推力。借助推力平衡活塞5来抵消此推力。为此活塞5在冷侧7和热侧6有相同或不同大小的图中未详细表示的面积，它们承受着相同或不同的压力。由于在冷侧7和热侧6上压力与相关面积的乘积不同而产生一个与上述推力方向相反的轴向力。在透平1运行时，一部分工质26作为漏泄流体17(见图2)沿轴向流过活塞5，尤其是在冷侧7与热侧6之间存在压差的情况。漏泄流体17的量通过在此处未作描述的非接触式密封而保持得较小。
图2表示透平1、尤其是单流道式中压汽轮机的纵剖面一部分。一个自身沿旋转轴线19延伸的转子2有一个推力平衡活塞5。为了说明作用方式可参见图1的实施方式。转子2、并因而还有活塞5均被一内壳11围绕。活塞5有一个面朝叶片区3(图2中未示出)的热侧6和背对此叶片区的冷侧7。在内壳11与活塞5之间形成一个属于热侧6的漏泄流体输送通道12。它至少部分构成一个在活塞5与内壳11之间的径向间隙。在冷侧7设一密封流体15的输入通道14。在活塞5面朝冷侧7的那一端设一个混合区13(一个腔室或类似结构)。漏泄流体输送通道12以及密封流体15的输入通道14均通往混合区13。一条导出通道16从混合区13通往内壳11内。在活塞5的冷侧7上设置了一个带有多个导流件9(见图3)的输送结构8。在转子2旋转时此输送结构8起径向通风机的作用。因此无需其他附加装置便可实现密封流体15流入混合区13内。由此在混合区内完成热的漏泄流体17(即热蒸汽)与较冷的密封流体15(即较冷的蒸汽)的混合。从混合区13经导出通道16流出的、由漏泄流体17与密封流体15组成的混合流体18因而有比漏泄流体17低的温度。由此取得两方面效果。一方面，没有热的漏泄流体17经活塞5排出，因为密封流体15逆漏泄流体17流动。另一方面，比漏泄流体17温度低的混合流体18流入内壳11。因此，与混合流体18接触的透平部分，没有如与工质26接触的透平部分那么高的热负荷。所以，对于与混合流体18接触的透平部分可以无风险地采用能承受较低热负荷的材料，即更便宜的以及可能更易于加工的材料。
图3给出了图2所示透平1活塞5区域的透视剖切图。在其冷侧7设有一些径向槽，其构成输送结构8的导流件9。
权利要求
1.一种透平(1)，其包括一个转子(2)，该转子有一个用作工作叶片(4)的叶片区(3)和一个推力平衡活塞(5)，该推力平衡活塞(5)有一个面朝叶片区(3)的热侧(6)和一个背对叶片区(3)的冷侧(7)；其还包括一个混合区(13)，在冷侧(7)配设的密封流体(15)输入通道(14)及在流动上与叶片区(3)连通的漏泄流体输送通道(12)均通入此混合区，并从此混合区分路接出一条导出通道(16)。
2.按照权利要求1所述的透平(1)，其中，在冷侧(7)设置一个使密封流体(15)径向向外流动的输送结构(8)，该输送结构(8)在流动上与密封流体(15)的输入通道(14)相连通。
3.按照权利要求1或2所述的透平(1)，其中，输送结构(8)有多个导流件(9)，如径向槽、径向孔或导流片。
4.按照权利要求1至3中任何一项所述的透平(1)，其中，输送结构(8)与推力平衡活塞(5)为一整体件。
5.按照权利要求1至4中任何一项所述的透平(1)，该透平为蒸汽透平，尤其是中压透平段。
6.按照上述权利要求中任何一项所述的透平(1)，包括一个外壳(10)，其中设一内壳(11)，内壳(11)围绕转子(2)，且在推力平衡活塞(5)与内壳(11)之间形成具有径向间隙的漏泄流体输送通道(12)。
7.按照上述权利要求中任何一项所述的透平(1)，其为单流道透平。
8.导出热漏泄流体(17)的方法，该透平(1)中的漏泄流体(17)流过在转子(2)的推力平衡活塞(5)和固定不动的透平部分(11)之间的径向间隙(12)，该热漏泄流体(17)与较冷的密封流体(15)混合，并被导出。
9.按照权利要求8所述的方法，其中，该漏泄流体(17)在推力平衡活塞(5)处与密封流体(15)混合。
10.按照权利要求8或9所述的方法，其中，由于转子(2)的旋转该密封流体(15)借助于设置在推力平衡活塞(5)上的输送结构(8)沿径向向外输送。
11.按照权利要求8至10中任何一项所述的方法，其中漏泄流体(17)是热蒸汽，密封流体(15)是较冷的蒸汽。
全文摘要
本发明涉及一种带有单转子(2)的透平(1),该转子有一个用作工作叶片(4)的叶片区(3)和一个推力平衡活塞(5)。推力平衡活塞(5)有一个面朝叶片区(3)的热侧(6)和一个背对叶片区(3)的冷侧。在冷侧(7)配设的密封流体(15)输入通道(14)及在流动上与叶片区(3)连通的漏泄流体输送通道(12)均从一侧通入一个混合区(13)内,并从此混合区另一侧分路接出一条导出通道(16)。本发明还涉及导出热漏泄流体(17)的方法。该漏泄流体(17)在透平(1)内流过在转子(2)的推力平衡活塞(5)与固定不动的透平部分(11)之间的径向间隙(12),其与较冷的密封流体(15)混合,并被导出。
文档编号F01D25/16GK1370254SQ00811954
公开日2002年9月18日 申请日期2000年8月18日 优先权日1999年8月27日
发明者斯蒂芬·萨斯, 雷纳·塔姆 申请人:西门子公司