专利名称：反向流动式高压-低压蒸汽涡轮的制作方法
技术领域：
本发明大体而言涉及蒸汽涡轮，且更具体而言，涉及在蒸气涡轮内用来最小化推 力的蒸汽流动布置。
背景技术：
目前，大型蒸汽涡轮常用于具有蒸汽涡轮和燃气涡轮的大型联合循环发电系统， 蒸汽涡轮和燃气涡轮一起驱动作为负荷的发电机。已提出了用于联合循环中燃气涡轮和蒸 汽涡轮的许多布置。联合循环是集成式热循环，其中来自燃气涡轮的热排气贡献热能，以部 分地或全部地生成在蒸气涡轮中使用的蒸汽。蒸汽涡轮是从加压蒸汽提取能量并将该能量转换成有用功的机械设备。蒸汽涡轮 通过多个固定喷嘴接收处于入口压力的蒸汽流，喷嘴对着旋转地附连到涡轮转子上的叶片 引导该蒸汽流。蒸汽流冲击在叶片上引起扭矩，该扭矩使涡轮转子旋转，从而形成用于使发 电机等转动的有用的动力源。蒸汽涡轮沿着转子长度包括多个喷嘴(或固定轮叶)和叶片 对。各个喷嘴和叶片对被称作级。各个级从蒸汽流提取一定量的能量，使得蒸汽压力降低 且蒸汽流的比体积膨胀。因此，喷嘴和叶片(级)的尺寸和它们距转子的距离在后面的级 中逐渐变得更大。出于成本和效率目的，大体上希望能在将排出的蒸汽流排放到冷凝器中 的真空之前提取尽可能大部分的能量。在大型电力蒸汽涡轮中，级的数目和直径变得巨大。通常，希望将能量提取过程分 到两个单独涡轮内，这两个涡轮被称作高压蒸汽涡轮和低压蒸汽涡轮。高压蒸汽涡轮接受 处于高压的初始蒸汽流且排到低压蒸汽涡轮内，低压蒸汽涡轮继续能量提取过程。高压蒸 汽涡轮必须被构造成以便承受由高压蒸汽所形成的较大的力。低压蒸汽涡轮必须较大，以 适应处于降低的压力的蒸汽的较大比体积。蒸汽涡轮还可关于从热到机械能的转换中蒸汽的作用来分类。可通过冲击机制、 反作用机制或者二者的组合来发生能量转换。冲击式涡轮具有将蒸汽流定向为高速射流的 固定喷嘴。这些射流包含大量的动能，在蒸气射流改变方向时，由叶片将该动能转换成轴旋 转。仅在固定轮叶上发生压力降，且越过该级，蒸汽速度有净增加。在反动式涡轮中，转子轮叶自身布置成形成会聚喷嘴。这种类型的涡轮使用蒸汽 通过转子形成的喷嘴而加速时所产生的反作用力。由定子的固定导叶将蒸汽引导至转子 上。其作为射流离开定子，该射流填充转子的整个周边。然后，蒸汽改变方向且相对于轮叶 速度增大其速度。越过定子和转子两者都发生压力降，且蒸汽通过定子加速并通过转子减 速，且越过该级没有蒸汽速度的净变化，但压力和温度两者都降低，反映了转子驱动中所做 的功。在历史上，在从蒸汽涡轮提取能量时并未充分利用该反作用机制，部分地由于涡轮性 能被认为是足够的，且部分地由于难以对转子轴上的、由移动的轮叶上的增大的反作用力 所致的增大的轴向推力做出响应。增加的燃料成本和客户对于改进的蒸汽涡轮性能的希望，增加了对于通过更高的 反作用力输出来驱动增大的效率的兴趣。举例而言，单流式HP-LP蒸汽涡轮常用于脱盐设备，其中这些设备位于燃料相对廉价的地方。即便如此，由于目前的燃料价格，即使是对于 这些应用，性能也变成了重要的参数。这些类型的设备的性能花费在过去的2/3年中从 $300/kw到了 $800/kW，突出了当前的改进性能的重要性。在图1中示出了单流式高压-低压(HP-LP)蒸汽涡轮的常规布置。HP-LP蒸汽涡 轮的流动路径可被限定为支承于一对轴颈轴承之间的涡轮单元之间的蒸汽流动。在单流式 HP-LP蒸汽涡轮5中，当前定向是首先为HP涡轮10，之后为LP涡轮20，二者在相同方向上 对准且由竖直接头25连接。HP-LP涡轮5的共同转子轴30可在相对端处由轴颈轴承35支 承。轴向HP蒸汽流50穿过竖直接头25，且轴向LP蒸汽流55在相同方向上穿过HP-LP蒸 汽涡轮5，形成HP推力60和LP推力65，导致加和的净推力70。另外，可在共同转子轴30 的端部处提供一个大组合推力轴承40，以吸收HP涡轮10与LP涡轮20的组合净推力70。 在许多情况下，对于该应用，组合推力轴承40尺寸设置成尽可能大。先前，通过在蒸气涡轮设计中使用大推力轴承和低反作用力水平来解决大轴向推 力的问题。这并不是一个好的性能组合，因为大推力轴承表示大的轴承损失，且低反作用力 表示低的蒸汽路径性能。这样的构造不具有或具有很小的性能改进空间。如果要改进蒸汽路径性能，留下可用的主要改进源头是提高HP涡轮和LP涡轮其 中之一或者二者中的级反作用力。但提高的级反作用力会导致增大的推力负荷，增加的推 力负荷需要更大的推力处理能力(反映为推力轴承更大的尺寸)。在利用单流式HP-LP蒸 汽涡轮单元的一些应用中，当前单元已使用了可用的最大尺寸的特定用途轴承。推力轴承 的尺寸已限制了 HP-LP单流式单元的性能，迫使有大约5%的低反作用力蒸汽路径设计。因此，需要提供一种用于HP蒸汽涡轮与LP蒸汽涡轮组合以有利地限制推力的布 置，从而可通过提高级反作用力来改进总蒸汽路径效率。
发明内容
本发明涉及一种用于HP蒸汽涡轮与LP蒸汽涡轮组合以有利地限制推力的布置， 使得可通过增大级反作用力来改进用于该组合的总蒸汽路径效率。简言之，根据一个方面， 提供了一种反向流动式蒸汽涡轮。该反向流动式蒸汽涡轮包括高压蒸汽涡轮和低压蒸汽涡 轮。提供高压蒸汽涡轮与低压蒸汽涡轮共同的转子轴。提供通过高压蒸汽涡轮的第一蒸汽 流动路径。提供在相反方向上通过低压蒸汽涡轮的第二蒸汽流动路径。提供用于将第一蒸 汽流动路径自高压蒸汽涡轮引导至在相反方向上的、通过低压蒸汽涡轮的第二蒸汽流动路 径的装置。根据本发明的第二方面，提供了一种用于在反向流动式高压-低压蒸汽涡轮中布 置蒸汽流动路径的方法。该方法包括在共同转子轴上布置高压蒸汽涡轮和低压蒸汽涡轮。 该方法还包括通过高压蒸汽涡轮来引导第一蒸汽流动路径，通过低压蒸汽涡轮在相反的方 向上引导第二蒸汽流动路径，以及将离开高压蒸汽涡轮的蒸汽流动路径引导至在相反方向 上的、通过低压蒸汽涡轮的第二蒸汽流动路径的入口。
当参看附图来阅读下文的具体实施方式
时，本发明的这些和其它特点、方面和优 点将会得到更好的理解，在所有附图中，相似的标号表示相似的部件，在附图中
图1示出了单流式高压-低压(HP-LP)蒸汽涡轮的常规布置；图2示出了反向流动式HP-LP蒸汽涡轮的第一实施例，其具有用于重引导流动的 跨越管；图3示出了反向流动式HP-LP蒸汽涡轮的第二实施例，其在HP涡轮上具有双壳体 以用于重引导流动；以及图4示出了用于在反向流动式高压-低压蒸汽涡轮中布置蒸汽流动路径的流程 图。部件列表5单流式HP-LP蒸汽涡轮IOHP蒸汽涡轮20LP蒸汽涡轮25竖直接头30转子 轴35轴颈轴承40大推力轴承50HP蒸汽流55LP蒸汽流60HP涡轮推力65LP涡轮推力70 净推力80用于将第一蒸汽流动路径引导至第二蒸汽流动路径的装置105反向流动式HP-LP 蒸汽涡轮110HP蒸汽涡轮115高压端116低压端120LP蒸汽涡轮125高压端126低压端 130转子轴135轴颈轴承136轴颈轴承145小推力轴承146小推力轴承150HP蒸汽流151 跨越蒸汽流155LP蒸汽流160HP涡轮推力170LP涡轮推力180净推力195跨越蒸汽流仪 表205反向流动式HP-LP蒸汽涡轮210HP蒸汽涡轮215高压端216低压端220LP蒸汽涡轮 225高压端226低压端230转子轴235轴颈轴承236轴颈轴承245小推力轴承246小推力 轴承250HP蒸汽流251跨越蒸汽流255LP蒸汽流260HP涡轮推力265LP涡轮推力270净推 力290套管接头295跨越蒸汽流仪表
具体实施例方式本发明的下面的实施例具有许多优点，包括提供这样的反向流动式高压-低压蒸 汽涡轮其平衡高压蒸汽涡轮的推力与低压蒸汽涡轮的推力，从而允许减小推力轴承的尺 寸。可在两个涡轮中结合更高的级反作用力，因为它们由于反向流动而抵消(offset)，从而 允许有更高的蒸汽路径效率。可通过跨越管或者利用双高压壳体来建立反向流动。分析表 明了至少2%的HP蒸汽路径效率的可能增加及大约40%的总推力负荷降低。图2示出了反向流动式蒸汽涡轮的一个实施例。反向流动式蒸汽涡轮105包括HP 蒸汽涡轮110和LP蒸汽涡轮120。提供HP蒸汽涡轮与LP蒸汽涡轮共同的转子轴130。提 供通过HP蒸汽涡轮110的第一蒸汽流动路径150。提供在相反方向上的、通过LP蒸汽涡轮 120的第二蒸汽流动路径155。还提供用于将第一蒸汽流动路径150从HP蒸汽涡轮110引 导至相反方向上的、通过LP蒸汽涡轮120的第二蒸汽流动路径155的装置80。在本发明的 这个第一实施例中，装置可包括用于将蒸汽从HP蒸汽涡轮110的LP端116传送到LP蒸汽 涡轮120的HP端125的跨越管。提供轴承座，以用于反向流动式蒸汽涡轮105，该轴承座包括HP蒸汽涡轮110的低 压端116处的轴颈轴承135和LP蒸汽涡轮120的低压端126处的轴颈轴承136。在HP蒸 汽涡轮110的低压端116处提供第一推力轴承145。在LP蒸汽涡轮120的低压端126处提 供第二推力轴承146。由HP蒸汽涡轮110施加的推力160与由共同转子130上的LP蒸汽 涡轮120施加的推力170，被标称地设计为具有大约相同的量值和相反的方向。净推力180 将理想地具有零的量值，然而，由两个涡轮施加的推力不能在整个负荷范围上完全平衡，因 此确实存在小的非零净推力180。因而，HP-LP涡轮的相对端处的推力轴承145、146需要尺 寸设置成以便接收小的非零推力，而不是单流式HP-LP涡轮的组合的加和推力负荷。在单流式HP-LP蒸汽涡轮中，不能调节相加的推力。利用反向流动式蒸汽涡轮，由于HP蒸汽涡轮和LP蒸汽涡轮中相反的蒸汽流引起的推力平衡，允许接受一个或两个单独 的涡轮上的增加的推力。因此，单独的HP和LP蒸汽涡轮可被设计成具有提高的反作用力， 从而导致更高效率的蒸汽路径。在图3中示出了反向流动式HP-LP蒸汽涡轮的第二实施例。HP-LP蒸汽涡轮305 的第二实施例包括与第一实施例的推力轴承和轴颈轴承布置类似的推力轴承245、246与 轴颈轴承235、236布置。HP涡轮包括用于将第一蒸汽流动路径从高压蒸汽涡轮引导至相反 方向上的、通过低压蒸汽涡轮的第二蒸汽流动路径的装置。这些装置包括HP蒸汽涡轮210 上的内壳体211，其适于提供通过HP蒸汽涡轮的第一蒸汽流动路径250。外壳体212使第 一流从高压侧重引导到低压侧、通过高压蒸汽涡轮，使之沿相反方向251返回，并到达HP蒸 汽涡轮与LP蒸汽涡轮之间的竖直套管接头290。套管接头290适于将来自HP蒸汽涡轮210的外壳体212的跨越蒸汽流251接收 至LP蒸汽涡轮220的蒸汽流动路径155中。图2和图3两者的实施例都通过提供对HP涡轮与LP涡轮之间的蒸汽流的有利监 测，而提供了优于单流式HP-LP蒸汽涡轮5的另外的优点。在单流式HP-LP蒸汽涡轮的竖 直接头25(图1)中的受限的仪表放置，可能不允许对穿过该接头的流进行代表性测量。在 本发明的实施例中，仪表可设于反向流动式HP-LP蒸汽涡轮的跨越蒸汽流动路径151、251 上，其适于监测多个蒸汽流参数。用于温度、压力、流量等的传感器195、295可放置于跨越 管180 (图2)中或者套管接头290 (图2)处。流动的广泛混合发生于上游的跨越管和通过 外壳体212的流两者中，允许在HP区段的排气处进行更准确的测量，因为蒸汽将被混合，且 由蒸汽路径膨胀所造成的温度分布将被消除或减轻。对这些参数更准确的测量允许对总体 涡轮运行进行更好的控制。图4示出了用于在反向流动式HP-LP蒸汽涡轮中布置蒸汽流动路径的流程图。步 骤410在共同转子轴上布置HP蒸汽涡轮和LP蒸汽涡轮。步骤420提供了通过HP蒸汽涡 轮来引导第一蒸汽流动路径。在步骤430中，在相反方向上通过LP蒸汽涡轮来引导第二蒸 汽流动路径。在步骤440，可在相反方向上将第一蒸汽流动路径从HP蒸汽涡轮的出口引导 至LP蒸汽涡轮的入口。该方法还包括利用第一轴颈轴承来支承HP蒸汽涡轮的LP端及利用第二轴颈轴承 来支承LP蒸汽涡轮的LP端的步骤450。步骤455包括利用第一推力轴承来吸收HP蒸汽涡 轮的LP端处的推力及利用第二推力轴承来吸收在LP蒸汽涡轮的LP端处的推力。该方法还提供在运行期间平衡推力的步骤406，从而在反向流动式蒸汽涡轮运行 期间，转子轴上的由HP涡轮所产生的第一推力和转子轴上的由LP涡轮所产生的第二推力 近似平衡。步骤470结合了将提高的反作用力和提高的效率设计到蒸汽流动路径中，如转 子轴上的减小的推力所允许。在步骤480中，该方法通过跨越管将HP蒸汽涡轮的第一蒸汽流的出射流引导至LP 蒸汽涡轮中的第二蒸汽流，或备选地在包括HP蒸汽涡轮上的内壳体、HP蒸汽涡轮上的外壳 体的路径中，且通过HP蒸汽涡轮与LP蒸汽涡轮之间的套管接头，将第一蒸汽流动路径从HP 蒸汽涡轮引导至相反方向上的、通过LP蒸汽涡轮的第二蒸汽流动路径，套管接头适于从LP 蒸汽涡轮的外壳体接收跨越蒸汽流。步骤490使用安装于HP蒸汽涡轮与LP蒸汽涡轮之间的跨越蒸汽流动路径上的仪表来提供对多个蒸汽流参数进行监测。步骤495包括通过采用来自跨越蒸汽流动路径上的 仪表的混合流动信息数据以便进行蒸汽涡轮控制，来提高反向流动式高压-LP蒸汽涡轮的 性能。 虽然在本文中描述了各种实施例，但根据说明书将了解的是，可对本发明做出元 件的各种组合、变型或改进，且它们都处在本发明的范畴内。
权利要求
1.一种反向流动式蒸汽涡轮(105)，包括 高压蒸汽涡轮(110)；低压蒸汽涡轮(120)；所述高压蒸汽涡轮(110)与所述低压蒸汽涡轮(120)共同的转子轴(130)； 在第一方向上的、通过所述高压蒸汽涡轮(110)的第一蒸汽流动路径(150)； 在相反方向上的、通过所述低压蒸汽涡轮(120)的第二蒸汽流动路径(155)；以及 用于将所述第一蒸汽流动路径(150)从所述高压蒸汽涡轮(110)引导至在相反方向上 的、通过所述低压蒸汽涡轮(120)的所述第二蒸汽流动路径(15 的装置(180)。
2.根据权利要求1所述的反向流动式蒸汽涡轮(105)，其特征在于，还包括 在所述高压蒸汽涡轮(110)的低压端(116)处的轴颈轴承(135)； 在所述低压蒸汽涡轮(120)的低压端(126)处的轴颈轴承(136)；在所述高压蒸汽涡轮(110)的所述低压端(116)处的第一推力轴承(130)；以及 在所述低压蒸汽涡轮(120)的所述低压端(126)处的第二推力轴承(146)。
3.根据权利要求2所述的反向流动式蒸汽涡轮(105)，其特征在于，在所述反向流动式 蒸汽涡轮(10 的运行期间，所述转子轴(130)上的由所述高压涡轮(110)产生的第一推 力(160)与所述转子轴(130)上的由所述低压涡轮(120)所产生的第二推力(170)相平衡。
4.根据权利要求3所述的反向流动式蒸汽涡轮(105)，其特征在于，基于来自所述高压 蒸汽涡轮(110)与所述低压蒸汽涡轮(120)的反向流动的推力的近似平衡，所述第一推力 轴承145和所述第二推力轴承(146)设计为用于减小的推力。
5.根据权利要求4所述的反向流动式蒸汽涡轮(105)，其特征在于，推力的所述近似平 衡允许高反作用力及高效率蒸汽路径(150)、(155)。
6.根据权利要求1所述的反向流动式蒸汽涡轮(105)，其特征在于，所述用于将所述第 一蒸汽流动路径(150)从所述高压蒸汽涡轮(110)引导至在相反方向上的、通过所述低压 蒸汽涡轮(120)的所述第二蒸汽流动路径(155)的装置包括从所述高压蒸汽涡轮(110)的低压端(116)到所述低压蒸汽涡轮(120)的高压端 (125)的跨越管(180)；以及从所述高压蒸汽涡轮(110)到所述低压蒸汽涡轮(120)的通过所述跨越管(180)的跨 越蒸汽流(151)。
7.根据权利要求6所述的反向流动式蒸汽涡轮(105)，其特征在于，还包括所述高压 蒸汽涡轮(Iio)与所述低压蒸汽涡轮(120)之间的所述跨越蒸汽流动路径(151)上的仪表 (195)，所述仪表(1%)适于监测多个蒸汽流参数。
8.根据权利要求7所述的反向流动式蒸汽涡轮(105)，其特征在于，来自所述跨越蒸汽 流动路径(151)上的所述仪表(1%)的数据包括用于进行蒸汽涡轮控制的混合流动信息。
9.根据权利要求1所述的反向流动式蒸汽涡轮(305)，其特征在于，所述用于将所述第 一蒸汽流动路径(250)从所述高压蒸汽涡轮O10)引导至在相反方向上的、通过所述低压 蒸汽涡轮O20)的所述第二蒸汽流动路径055)的装置包括在所述高压蒸汽涡轮(210)上的内壳体011)，所述内壳体(211)适于提供在第一方向 上的、通过所述高压蒸汽涡轮O10)的第一蒸汽流动路径O50)；所述第一蒸汽流动路径(250)在所述第一方向上、通过所述高压蒸汽涡轮O10)的所述内壳体011)；在所述高压蒸汽涡轮(210)上的外壳体012)，通过所述高压蒸汽涡轮(210)上的所述外壳体(21 到达所述低压蒸汽涡轮(220)的 跨越蒸汽流051)；以及在所述高压蒸汽涡轮(210)与所述低压蒸汽涡轮(220)之间的套管接头090)，所述 套管接头(四0)适于将所述跨越蒸汽流051)自所述高压蒸汽涡轮OlO)的所述外壳体 (212)接收至所述低压蒸汽涡轮O20)中。
10.根据权利要求9所述的反向流动式蒸汽涡轮(305)，其特征在于，还包括所述高压 蒸汽涡轮(210)与所述低压蒸汽涡轮(220)之间的所述跨越蒸汽流动路径(251)上的仪表 095)，所述仪表( 适于监测多个蒸汽流参数。
全文摘要
反向流动式高压-低压蒸汽涡轮(105)、(305)使高压蒸汽涡轮(110)、(120)的推力(160)、(260)与低压蒸汽涡轮(120)、(220)的推力(265)相平衡，从而允许减小推力轴承的尺寸。可在两个涡轮中结合更高的级反作用力，因为它们由于反向流动而抵消，从而允许有更高的蒸汽路径效率。可通过跨越管(180)或者利用双高压壳体(211)、(212)来建立反向流动。
文档编号F01D3/02GK102094681SQ20091021515
公开日2011年6月15日 申请日期2009年12月23日 优先权日2008年12月23日
发明者N·埃尔南德斯 申请人:通用电气公司