专利名称：带有推力元件的涡轮机设备以及推力元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种涡轮机设备，尤其是带有至少两个汽轮机段的蒸汽轮机设备，其中每个汽轮机段都具有一个沿主轴延伸的涡轮转子，其中涡轮转子相互间刚性连接。每个汽轮机段都具有装有导向叶片的内壳，在此至少有一个内壳在轴向是可移动的。对于此内壳的轴向位置具有一可热膨胀的推力元件。本发明此外还涉及推力元件本身。
在DE 35 22 916 A1中阐述了一种涡轮机组，该机组带有至少一个具有外壳和与其同轴的内壳的低压涡轮机段以及至少一个对于低压涡轮机段同轴和设置于低压涡轮机段上游的高压和/或中压涡轮机段。各涡轮机段的轴相互间刚性耦接成一个轴系。在低压涡轮机段的上游前置有一个用于该轴系的轴向止推轴承，该轴承确定出一基准面，由此基准面作为轴向的轴膨胀和移动的起点。内壳通过传递推力的连接杆连接在一轴向相邻的涡轮机段壳体的轴向可移动支承的端部上或者连接在涡轮机轴承箱体上。该连接杆通过能够限制横向运动的密封元件热位移地和真空密封地穿过外壳壁通到外边。位于低压涡轮机段之前的涡轮机轴承确定了第二个基准面，由此基准面作为支承在涡轮机轴承上的涡轮机段壳体和与其连接的涡轮机段壳体的轴向膨胀和位移的起点。由此使轴系和涡轮机段壳体以实际上相同的轴向膨胀度并在相同的方向上产生轴向位移，在此相邻的工作叶片凸缘和导向叶片凸缘之间只存在最小的轴向间隙。借助连接杆将推力传递给传递推力的涡轮机轴承部分。此外连接杆的真空密封套管与低压涡轮机段内壳的水平热位移爪式支承在结构上合并。内壳的爪臂在平行于轴心线的方向上延伸并以能滑动的支承和导向平面平放在相应的轴承箱体的支座上。连接杆在涡轮机轴承范围内与爪臂力传递地连接，特别是真空密封套管的薄膜密封与低压涡轮机段的外壳端面上的外部环形法兰和涡轮机轴承箱体上的内部环形法兰连接。外壳端壁上和轴承箱体上的支座面之间的，即只有很小相对位移的两部件之间的密封元件的设置，使内壳的较大热位移与密封元件相脱离。
在DE-AS 1 216 322中阐述了一种带有多个同轴前后布置的涡轮机段的蒸汽或燃气轮机，这些涡轮机段的轴相互间刚性耦合并且在它们的壳体中至少有一个是轴向可位移的并与一位置固定的涡轮机段壳体或轴承支座连接。涡轮机的低压壳体分别由一外壳和一内壳组成。低压涡轮机的内壳与一相邻涡轮机段的壳体或轴承支座的连接通过一根拉杆实现，此拉杆蒸汽密封地和热位移地穿过外壳壁通到外边。该拉杆可以是单独一根杆，在外壳壁上通过一轴向和径向呈挠性的波纹管密封。该拉杆还可以由三个轴向相互串联铰接的杆组成，其中位于中间的那根杆滑动配合在外壳壁的一衬套中，可轴向移动。通过这种拉杆能够使壳体产生轴向位移，通过轴向位移使转子与壳体之间的轴向间隙尽可能保持一常量。为了改变轴向间隙的大小，可通过拉杆温度的变化来改变拉杆长度。这种温度的变化通过蒸汽或液体对拉杆的附加热负荷来实现。
在GB-PS 1 145 612中阐述了这样一种通过一管输入高热蒸汽来改变轴向间隙大小。一轴向可膨胀的管在其每个端面与一连杆连接，该连杆又固定在低压涡轮机段的内壳上。内壳相对于汽轮机转子的轴向位移由各个内壳的膨胀，连接杆的膨胀以及膨胀管的膨胀所组成。相互耦接的内壳的热膨胀由一个固定点确定，此点位于最远的处于上游的低压汽轮机段的外壳上。这个内壳热膨胀的起点不同于转子的由较远的处于上游的轴承来确定的热膨胀起点。各膨胀管通过各自的补偿器与相应的低压汽轮机段的外壳连接，使得由内壳和连接杆组成的系统的绝对膨胀得由补偿器来吸收。为了保证汽轮机转子膨胀与由内壳和连接杆组成的系统之间的膨胀尽可能为一常数，必须按给定方式将蒸汽输入膨胀管。这种蒸汽必须要么取自蒸汽循环要么被单独提供。另外还需要控制和监控系统，以便通过这个系统视蒸汽轮机的工作状态将用来补偿轴向间隙所需的蒸汽输入膨胀管内。
本发明的目的在于提供一种涡轮机设备，使得以简单的方式和方法，尤其是不需要昂贵的控制和监测系统，就能使转子与内壳之间的轴向间隙保持在预定值以下。本发明的另一目的在于提供一种相应的用来减少涡轮机设备中涡轮机转子与内壳之间轴向间隙的推力元件。
本发明有关涡轮机设备方面的目的由此来实现，即，在一轴向位移的内壳上为轴向位移安置一热膨胀推力元件，此元件具有第一膨胀部分和第二膨胀部分，两部分通过一耦合部分相互连接。该耦合部分以机械和/或液压的方式方法使第二膨胀部分产生一轴向位移，此位移大于第一膨胀部分的轴向位移和/或轴向热膨胀。
所述耦合部分最好为一机械杠杆。该杠杆可围绕一固定点转动，其中第一膨胀部分和第二膨胀部分在各自的连接点上同样可转动地与该杠杆连接。第二连接点与固定点的距离大于第一连接点与固定点的距离。由第一膨胀部分的热膨胀和/或位移引起的第一连接点的位移作用于机械杠杆，使之绕固定点转动。由于第二膨胀部分的杠杆臂，即第二连接点与固定点之间的距离，大于第一膨胀部分的杠杆臂，该机械杠杆使第二膨胀部分产生一轴向位移，此位移被矫直并大于第一连接点的轴向位移。
由此尤其在对三个低压汽轮机段的布置中为取得大功率，这三个低压汽轮机段在低冷却水温下用在一蒸汽轮机设备中，第三级低压内壳相对于汽轮机转子的相对膨胀保持得很小，使得即便在汽轮机设备满负荷时，静止的导向叶片与旋转的工作叶片之间的轴向间隙也保持在一预定值以下。通过选择一相应的矫直杠杆臂可以将轴向间隙调整到一个基本上与另一低压汽轮机段相应的轴向间隙值上。因此所有低压汽轮机段可以相同结构构成。
当然所有沿轴向前后设置的低压汽轮机段通过一推力元件能够以所述简单的铰接机理加以连接。通过适当选择杠杆臂和与此相应的传动比可以使每个低压汽轮机段产生轴向位移，此轴向位移使之对汽轮机转子的相对膨胀量减少了一预定值。尤其可以将相对膨胀量调整为常数。同样可以通过刚性的推力元件而无需机械或液压式位移放大器地将各个低压汽轮机段相互连接起来。
一个以机械和/或液压的方式和方法使第一膨胀部分的轴向位移和/或轴向膨胀同向放大的耦合部分在结构上可以简便地实现，而不需要复杂的监测和控制装置也不需要通过附加的管道输入蒸汽。通过这种耦合部分以及由此带来的很少的构造和运行费用可以实现涡轮机设备中导向叶片与工作叶片之间轴向间隙的减少，由此可以提高涡轮机设备的功率。
推力元件最好与支承内壳轴承的轴承支座一起穿过围绕内壳的外壳的密封。该密封最好具有一个沿轴向可膨胀的密封风箱。通过这一共同通道减少了外壳的通孔数并由此在结构上得以简化。
轴向膨胀联合体，包括具有位移放大作用的推力元件(杠杆)，一个内壳或多个内壳以及必要时不具有位移放大作用的推力元件(连接杆)以及相互连接的涡轮机转子具有一共同的轴向固定点。这个轴向固定点在由中压涡轮机段的外壳和两个或多个低压涡轮机段的内壳所组成的膨胀联合体中，优选是一个沿轴向设置于所有涡轮机段之前的，用来支承中压涡轮机段的外壳的涡轮机轴承。
用于减少两个相互独立的可沿主轴膨胀的部分之间的，尤其是涡轮机设备的转子和内壳之间的不同轴向膨胀的推力元件，按照本发明，是通过一具有第一膨胀部分，第二膨胀部分和耦合部分的推力元件来实现的。该耦合部分最好是一可绕固定点转动的机械杠杆，第一膨胀部分和第二膨胀部分在该杠杆的同一侧可旋转地连接在各自的连接点上。第二连接点与固定点的距离大于第一连接点与固定点的距离。由此借助杠杆作用，在第一连接点位移时第二连接点沿轴向产生比第一连接点更大位移的位移放大。该推力元件也可以具有一液压位移放大器，例如由沿主轴成锥形的液压通道构成，在通道端部分别连接第一膨胀部分和第二膨胀部分。第一膨胀部分在液压通道变小方向上的位移造成通道中的不可压缩液压流体被挤压进锥形部分内。由于体积不变性，液压流体挤入锥形部分内的程度比由第一膨胀部分对它挤压的程度要大。由此通过不可压缩液压流体产生了位移放大。
下面借助附图所示实施例来详细阐述带有推力元件的涡轮机设备，附图中
图1为蒸汽轮机设备的纵向截面图，图2为带有推力元件的两个低压汽轮机段之间的轴承的纵向截面图，图3为图2所示推力元件的俯视图。
图1所示蒸汽轮机设备1带有沿主轴4前后设置的高压汽轮机段23，中压汽轮机段2和三个结构基本相同的低压汽轮机段3a,3b和3c。低压汽轮机段3a,3b和3c通过蒸汽输入管道24与中压汽轮机段2以流体技术连接。中压汽轮机段2具有外壳22。各低压汽轮机段3a,3b和3c具有各自的内壳8a,8b和8c以及围绕内壳8a,8b和8c的外壳14。各内壳8a,8b和8c具有用于加载低压蒸汽的导向叶片6。在各内壳8a,8b和8c中设置有沿主轴4延伸的带有低压工作叶片27的汽轮机转子5。中压汽轮机段2具有一内壳7。在中压汽轮机段2与第一低压汽轮机段3a之间和各相邻的低压汽轮机段3a,3b,3c之间装有轴承15。轴承15不仅用来支承汽轮机转子而且也用来支承各内壳8a,8b和8c。在高压汽轮机段23和中压汽轮机段2之间同样装有一轴承15a用来支承汽轮机段2,23的汽轮机转子。在各轴承15支承各内壳8a,8b和8c的支座范围内各通有平行于主轴4的连接杆9a。各连接杆9a将中压汽轮机段2与第一低压汽轮机段3a连接起来，并使各汽轮机段3a,3b,3c彼此相邻的内壳8a,8b和8c相互连接起来。外壳22，内壳8a,8b和8c以及将它们连接起来的耦接杆9a,21构成一膨胀联合体，该膨胀联合体在加载热蒸汽时沿主轴4轴向膨胀。这样构成的膨胀联合体具有一位于高压汽轮机段23和中压汽轮机段2之间的轴承15a上的固定点20。由此固定点20算起的沿主轴4的热膨胀值用膨胀曲线25表示。中压汽轮机段2和低压汽轮机段3a,3b,3c相互刚性连接的汽轮机转子5的相应的膨胀曲线26同样被示出。通过将低压汽轮机段3a,3b,3c组合成膨胀联合体并结合中压汽轮机段2的外壳22,利用各热膨胀使内壳8a,8b和8c沿主轴4朝未示出的发电机方向移动。所有的内壳8a,8b和8c的热膨胀沿主轴4相加，由此对于相互刚性连接的汽轮机转子5的相对膨胀减少。在膨胀曲线25和26之间的比较表明，尽管如此，在汽轮机设备1的整个长度上在汽轮机转子5与最后的低压汽轮机段3c的内壳8c之间仍存在有膨胀差。这个膨胀差造成了各低压汽轮机段3a,3b,3c的导向叶片6和工作叶片27之间有不同的轴向间隙。
通过使用在图2和3中详细示出的带有对低压汽轮机段3a,3b,3c的内壳8a,8b和8c的位移有放大作用的推力元件9，这种膨胀差可以被明显地减小一预定值。这种推力元件9作为连接杆9a的替代品可设置在中压汽轮机段2与第一低压汽轮机段3a之间以及各相邻的低压汽轮机段3a,3b,3c之间。优选安装在最后两个低压汽轮机段3b和3b之间。该推力元件9具有一基本上为杆状的第一膨胀部分10a和一同样基本上为杆状的膨胀部分10b。这些膨胀部分10a,10b通过一耦合部分11相互铰接。如图3所示，耦合部分为可绕固定点12转动的机械杠杆。在各自的连接点13a,13b上每个膨胀部分10a,10b通过未详细示出的销钉可转动地与膨胀部分11在主轴4方向上可位移地连接。连接点13a比连接点13b更靠近固定点12。在此连接点13a位于连接点13b与固定点12之间，使得连接点13a在主轴4方向上的位移造成连接点13b在主轴4方向上的更大位移。膨胀部分10a,10b穿透各自的轴承15并与各自的支座部分28b,28c一起穿过各自相应的低压汽轮机段3b,3c的外壳14。穿过外壳14时通过密封16气密地加以密封，其中该密封16具有一个在主轴4方向上可膨胀的密封风箱18。内壳8b支承在支座28a上，该膨胀部分10a螺旋拧紧在内壳8b上。内壳8c相应地支承在支座28b上，膨胀部分10b也螺旋拧紧在内壳8c上一相应的支承爪17上。
视连接点13a,13b相对于固定点12的位置，通过耦合部分11可以将相应的位移放大调整一预定值。由此耦合部分11以设计结构简单并且无需维护的方式和方法实现了位移放大而无需在通过蒸汽引起温度升高来对位移放大时所必须的昂贵的控制、检测和管道系统。
本发明的出色之处在于在带有多级涡轮机段的涡轮机设备中使用一种推力元件，通过该推力元件以机械的和/或液压的方法实现了位移放大。该推力元件优选具有一为机械杠杆的耦合部分，在该杠杆上铰接有两个推杆，它们分别带有不同的，但是相对于固定点位于同一侧的杠杆臂。涡轮机段的内壳的位移在轴向产生的位移放大允许减少涡轮机转子的工作叶片与内壳的导向叶片之间的轴向间隙。这些除了造成可以采用构造基本相同的内壳以外还提高了整个涡轮机设备的效率。所述涡轮机设备优选为带有一高压汽轮机段，一中压汽轮机段和两个或更多，特别是三个低压汽轮机段的一个蒸汽轮机设备。当然这种推力元件也适用于在带有多个涡轮机段的燃气轮机设备上用来减小轴向间隙。
权利要求
1．一种涡轮机设备(1)，尤其是蒸汽轮机设备，其带有至少两个汽轮机段(2,3a,3b,3c)，每个汽轮机段都具有一个沿主轴(4)延伸的涡轮机转子(5)，这些涡轮机转子(5)相互间刚性连接，每个汽轮机段还都具有装有导向叶片(6)的内壳(8a,8b,8c)，其中至少有一个内壳(8a,8b,8c)沿轴向可移动并且为了该内壳(8a,8b,8c)的轴向移动设有一可热膨胀的推力元件(9)，其特征在于，该推力元件(9)具有第一膨胀部分(10a)和第二膨胀部分(10b)，两部分通过耦合部分(11)相互连接，其中耦合部分(11)以机械和/或液压的方式使第二膨胀部分(10b)的轴向位移大于第一膨胀部分(10a)的热膨胀和/或轴向位移。
2．如权利要求1所述的涡轮机设备(1)，其中所述耦合元件(11)为一围绕固定点(12)可转动的机械杠杆，第一膨胀部分(10a)和第二膨胀部分(10b)在各自的连接点(13a,13b)上可转动地与该杠杆连接，第二连接点(13b)与固定点(12)的距离大于第一连接点(13a)与固定点的距离。
3．如上述任一项权利要求所述的涡轮机设备(1)，其中至少有一个与该推力元件(9)连接的涡轮机段(3a,3b,3c)具有一围绕内壳(8a,8b,8c)的外壳(14)，其中所述推力元件(9)和支承内壳(8b,8c)的轴承(15)的支座(28a,28b)一起穿过一密封(16)。
4．如上述任一项权利要求所述的涡轮机设备(1)，其中一包括推力元件(9)在内的轴向膨胀联合体和相互连接的涡轮机转子(5)具有一共同的轴向固定点(20)。
5．如上述任一项权利要求所述的涡轮机设备(1)，其带有一中压汽轮机段(2)和至少两个沿主轴(4)设置的低压汽轮机段(3a,3b)，其中低压汽轮机段(3a,3b)的内壳(8a,8b)与所述推力元件(9)连接。
6．如权利要求5所述的涡轮机设备(1)，其中中压汽轮机段(2)具有一外壳(22)，此外壳通过一推力连接杆(21)与沿轴向设置于后的低压汽轮机段(3a)的内壳(8a)连接，一个与外壳(22)相连接的轴承(15a)构成对于轴向热膨胀的轴向固定点(20)。
7．一种用于减少两个相互独立的可沿主轴(4)膨胀的部件之间的，尤其是一涡轮机设备的涡轮机转子(5)和内壳(7,8a,8b,8c)之间的不同轴向膨胀的推力元件(9)，其具有第一膨胀部分(10a)，第二膨胀部分(10b)和一耦合元件(11)，其中该耦合元件(11)为可绕固定点(12)转动的机械杠杆，第一膨胀部分(10a)和第二膨胀部分(10b)在各自的连接点(13a,13b)上可转动地与该杠杆连接，并且第二连接点(13b)与固定点(12)的距离大于第一连接点(13a)与固定点的距离。
全文摘要
本发明涉及一种涡轮机设备(1),尤其是蒸汽轮机设备,其带有至少两个涡轮机段(2,3a,3b,3c),每个涡轮机段都具有一个沿主轴(4)延伸的涡轮转子(5)以及一个装有导向叶片(6)的内壳(7,8a,8b,8c)。至少有一个内壳(8a,8b,8c)沿轴向是可移动的,在此对于轴向位移设有一可热膨胀的推力元件(9)。该推力元件具有第一膨胀部分(10a)和第二膨胀部分(10b),两部分通过一耦合部分(11)相互连接。该耦合部分(11)以机械和/或液压的方式使第二膨胀部分(10b)的轴向位移大于第一膨胀部分(10a)的热膨胀和/或轴向位移。本发明还涉及一种推力元件(9)。
文档编号F01D25/28GK1225705SQ97196568
公开日1999年8月11日 申请日期1997年7月22日 优先权日1996年7月24日
发明者海因里希·奥恩豪森, 阿克塞尔·伦伯格 申请人:西门子公司