專利名稱：透平及導(dǎo)出漏泄流體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶有單轉(zhuǎn)子的透平，尤其是帶有單轉(zhuǎn)子的汽輪機，其轉(zhuǎn)子有一個安裝工作葉片的葉片區(qū)和一個推力平衡活塞，該推力平衡活塞有一個面朝葉片區(qū)的熱側(cè)和一個背對葉片區(qū)的冷側(cè)。本發(fā)明還涉及一種將經(jīng)推力平衡活塞流出的漏泄流體導(dǎo)出的方法。
在1968年12月3日的德國實用新型6809708中描述了一種多殼體、阻流調(diào)節(jié)的高溫高壓軸流式汽輪機。此汽輪機有一個內(nèi)殼部分和一個導(dǎo)流葉片支架，它們在結(jié)構(gòu)上組合成一個唯一的、沿軸向平面分開的內(nèi)殼層。該內(nèi)殼層被一個罐狀結(jié)構(gòu)的外殼包圍。內(nèi)殼層本身圍繞著也稱為轉(zhuǎn)子的透平軸，其上有一個帶有工作葉片的葉片區(qū)。在轉(zhuǎn)子彼此相對的每一端設(shè)有轉(zhuǎn)子與外殼之間的軸密封裝置。在轉(zhuǎn)子的一端，流過汽輪機的蒸汽進入葉片區(qū)，并導(dǎo)致轉(zhuǎn)子繞其旋轉(zhuǎn)軸線作旋轉(zhuǎn)運動。在相對的另一端，當(dāng)時至少已部分膨脹的蒸汽從葉片區(qū)和汽輪機排出。在這種情況下蒸汽對轉(zhuǎn)子施加一個推力。為了抵消此推力，轉(zhuǎn)子在蒸汽流入的那一端有一個平衡活塞裝置。它的特點在于其面朝葉片區(qū)的端面的面積大于其背對葉片區(qū)的端面的面積。在美國專利說明書US-3754833中描述了一種類似的罐形結(jié)構(gòu)汽輪機。
在德國專利說明書DE-281253中給出了一種船用透平卸荷裝置。此透平包括一個帶有沖動-反動機組的前進和倒車透平，這些機組裝在唯一的一個殼體內(nèi)，并通過筒壁卸荷。為了給透平卸荷，在前進透平與軸承之間設(shè)置了部分卸荷面。由此不僅在船向前行駛而且在船向后行駛時，均能實現(xiàn)葉片推力和船用螺旋漿推力的卸荷。
在德國專利申請公開說明書DE 19701020中描述了一種帶有高壓和中壓透平段的汽輪機，該高壓和中壓透平段可通過透平級來改變其反動度。在這里，中壓和高壓透平段可裝在一個唯一的殼體內(nèi)，以及每個透平段設(shè)計為單流道的。為了接受鼓形結(jié)構(gòu)中壓透平段的軸向推力，設(shè)置了一個推力平衡活塞。它布置在軸承與高壓透平段之間。在與軸承相近的一側(cè)，推力平衡活塞受到來自中壓透平段排汽區(qū)蒸汽的作用，而在與高壓透平段相近的另一側(cè)受到來自高壓透平段的蒸汽的作用。這些透平段也可以安裝在兩個分開的殼體內(nèi)。在單流道的情況下同樣設(shè)置一個推力平衡活塞。
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種具有推力平衡裝置、用于高溫驅(qū)動工質(zhì)的透平。本發(fā)明的另一個要解決的技術(shù)問題是提供一種將推力平衡裝置的漏泄蒸汽導(dǎo)出的方法。
按照本發(fā)明，上述針對透平提出的技術(shù)問題是借助于這樣一種透平來解決的，該透平包括一個轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子有一個用作工作葉片的葉片區(qū)和一個推力平衡活塞，該推力平衡活塞有一個面朝葉片區(qū)的熱側(cè)和一個背對葉片區(qū)的冷側(cè)，其還包括一個混合區(qū)，在冷側(cè)配設(shè)的密封流體輸入通道及在流動上與葉片區(qū)連通的漏泄流體輸送通道均通入此混合區(qū)，并從此混合區(qū)分路接出一條導(dǎo)出通道。
此外，推力平衡活塞為一種推力平衡裝置，它以機械方式與透平的轉(zhuǎn)子相連接，例如與之制成一體，尤其鍛造或鑄造，或與之焊接、螺釘連接或通過其他方式機械固定連接。尤其是，此推力平衡活塞有一些可通過介質(zhì)如蒸汽或氣體加載的表面，從而在推力平衡活塞上產(chǎn)生一個合力，該合力與工質(zhì)在轉(zhuǎn)子上沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線方向作用的推力方向相反。
兩個部分或兩個區(qū)域在流動上連通指的是，流體可從一個區(qū)域(部分)流向另一個區(qū)域。流動上的連通例如借助于流體管路、孔或類似裝置實現(xiàn)。
本發(fā)明以推力平衡活塞(以下簡稱活塞)與工質(zhì)接觸為出發(fā)點。這種工質(zhì)可以在活塞與固定的透平部分(例如內(nèi)殼)之間流過。由此形成工質(zhì)的漏泄流。此漏泄流雖然可借助密封來減小，但并不可能通過非接觸式密封實現(xiàn)完全密封。這種漏泄流可能有高的溫度，在汽輪機中此溫度達600℃，以及在燃氣輪機中還要高。因而，熱的漏泄蒸汽流可能出現(xiàn)在并非設(shè)計用于如此高溫度的透平部分上。為避免發(fā)生這種情況，在熱工質(zhì)流動區(qū)之外的透平部分也必須采用適合于這種高溫的、往往既昂貴又難以加工的材料制造。作為另一種替換方案，也可以在活塞背對熱工質(zhì)的那一端(以下稱作冷側(cè))的流動區(qū)設(shè)置另一個密封區(qū)。作為輔助的或替換的方式，可設(shè)置一個用于抽出漏泄流的抽吸裝置。在這種情況下，通過活塞的漏泄流反比于此附加密封區(qū)和在抽吸裝置內(nèi)所包含的抽吸管的流動阻力。然而這樣也不能做到完全密封，因而也不能防止熱漏泄流體作用在處于工質(zhì)流動區(qū)之外的透平部分上。
按照本發(fā)明設(shè)置一個熱漏泄流體與較冷的密封流體的混合區(qū)，從而形成了一種由這兩種流體混合后的混合流體。然后此混合流體經(jīng)導(dǎo)出通道從混合區(qū)排出。由此保證，與漏泄流體相比較冷的混合流體可控制地導(dǎo)入相應(yīng)的透平區(qū)內(nèi)。因而就漏泄流體而言實現(xiàn)了活塞的完全密封。由此可靠地避免漏泄流例如沿轉(zhuǎn)子流出活塞。在這種情況下混合流體的溫度優(yōu)選處于熱工質(zhì)流動區(qū)之外的那些透平部分允許的使用溫度之下。
作為一種優(yōu)選方式，將混合區(qū)設(shè)在活塞的冷側(cè)。由此可在漏泄流體輸送通道中混合區(qū)與活塞熱側(cè)之間設(shè)置一個帶有例如非接觸式密封的密封區(qū)。
作為另一種優(yōu)選方式，在活塞冷側(cè)設(shè)置一個用于使密封流體沿徑向向外流動的輸送結(jié)構(gòu)，且此輸送結(jié)構(gòu)與密封流體的輸入通道在流動上相連通。尤其是輸送結(jié)構(gòu)具有多個導(dǎo)流件，如徑向槽、徑向孔、導(dǎo)流片或起同樣作用的形狀和幾何結(jié)構(gòu)。這樣一種輸送結(jié)構(gòu)構(gòu)成了一種徑向通風(fēng)機。
借助該輸送結(jié)構(gòu)，通過轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)就實現(xiàn)了密封流體朝著混合區(qū)方向的輸送。從而無需其他附加裝置便可使密封流體進入混合區(qū)內(nèi)。借助輸送結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的密封流體的流動因而優(yōu)選地與漏泄流體的流動方向相反。
作為進一步的優(yōu)選方式，輸送結(jié)構(gòu)與推力平衡活塞制成一體。尤其是，將導(dǎo)流件焊接或以類似的方式固定在活塞冷側(cè)。
作為又一種優(yōu)選方式，透平是一蒸汽透平(汽輪機)，尤其是一中壓透平段。更優(yōu)選地，透平設(shè)計為單流道的。
作為再一種優(yōu)選方式，透平有一外殼，在外殼內(nèi)設(shè)置一內(nèi)殼。內(nèi)殼圍繞轉(zhuǎn)子，其中在推力平衡活塞與內(nèi)殼之間形成具有一徑向間隙的漏泄流體輸送通道。最好在這樣一個間隙內(nèi)設(shè)置非接觸式密封。
按照本發(fā)明，上述針對方法提出的技術(shù)問題是通過一種導(dǎo)出熱漏泄流體的方法來解決的，其中，透平中的漏泄流體流過在轉(zhuǎn)子的推力平衡活塞與固定不動的透平部分之間的徑向間隙，該熱漏泄流體與較冷的密封流體混合，并被導(dǎo)出。有關(guān)此方法的優(yōu)點和作用方式可參見上述對透平結(jié)構(gòu)設(shè)計的說明。
通過漏泄流體與密封流體混合形成比漏泄流體溫度低的混合流體，通過恰當(dāng)?shù)剡x擇發(fā)生這種混合的地點，可以實現(xiàn)活塞的完全密封。在這里，漏泄流體最好在推力平衡活塞處、尤其在其冷側(cè)與密封流體混合。
密封流體的流動最好通過轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生。尤其是借助于一個設(shè)置在推力平衡活塞上的輸送結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。密封流體的流動方向優(yōu)選沿徑向向外。借助輸送結(jié)構(gòu)將密封流體沿徑向向外輸送。
若漏泄流體是熱蒸汽，則作為密封流體優(yōu)選采用蒸汽，其中密封流體是較冷的蒸汽。尤其在汽輪機中是這種情況。在燃氣輪機中優(yōu)選采用一種氣體例如冷卻空氣作為密封流體。
下面借助在附圖中所描述的實施方式對透平及導(dǎo)出漏泄流體的方法作進一步詳細說明。


圖1為高壓汽輪機的縱剖面圖；圖2為汽輪機推力平衡活塞區(qū)的縱剖面圖；圖3為推力平衡活塞區(qū)的局部立體圖。
在圖1至3中相同的附圖標(biāo)記總是具有同樣的含義。
圖1以縱剖圖方式描述了透平1，這里為罐形結(jié)構(gòu)的高壓汽輪機。該透平1有一個沿著旋轉(zhuǎn)軸線19延伸的轉(zhuǎn)子2。轉(zhuǎn)子2被一內(nèi)殼11圍繞，內(nèi)殼本身被外殼10圍繞。轉(zhuǎn)子2分別通過一個軸承22支承在外殼10兩端。在轉(zhuǎn)子2伸出外殼10的兩端區(qū)25各設(shè)一軸密封24。轉(zhuǎn)子2在熱工質(zhì)26(這里是熱蒸汽)的流入?yún)^(qū)21與排汽區(qū)20之間有一葉片區(qū)3。在葉片區(qū)3內(nèi)，轉(zhuǎn)子2有沿軸向彼此相間隔的工作葉片4。內(nèi)殼11上在軸向相鄰的工作葉片4之間對應(yīng)地安裝了一排導(dǎo)流葉片23。
轉(zhuǎn)子2有一推力平衡活塞5，其中，流入?yún)^(qū)21沿軸向看位于葉片區(qū)3與推力平衡活塞5之間。推力平衡活塞5(簡稱活塞5)面朝流入?yún)^(qū)21有一熱側(cè)6，背對流入?yún)^(qū)21有一冷側(cè)7。
在透平1運行時，工質(zhì)26流入流入?yún)^(qū)21，流過葉片區(qū)3，并經(jīng)排汽區(qū)20離開透平1。工質(zhì)26在流過葉片區(qū)3時，向工作葉片4、并因而向轉(zhuǎn)子2施加一個力。由此形成沿旋轉(zhuǎn)軸線19方向的推力。借助推力平衡活塞5來抵消此推力。為此活塞5在冷側(cè)7和熱側(cè)6有相同或不同大小的圖中未詳細表示的面積，它們承受著相同或不同的壓力。由于在冷側(cè)7和熱側(cè)6上壓力與相關(guān)面積的乘積不同而產(chǎn)生一個與上述推力方向相反的軸向力。在透平1運行時，一部分工質(zhì)26作為漏泄流體17(見圖2)沿軸向流過活塞5，尤其是在冷側(cè)7與熱側(cè)6之間存在壓差的情況。漏泄流體17的量通過在此處未作描述的非接觸式密封而保持得較小。
圖2表示透平1、尤其是單流道式中壓汽輪機的縱剖面一部分。一個自身沿旋轉(zhuǎn)軸線19延伸的轉(zhuǎn)子2有一個推力平衡活塞5。為了說明作用方式可參見圖1的實施方式。轉(zhuǎn)子2、并因而還有活塞5均被一內(nèi)殼11圍繞。活塞5有一個面朝葉片區(qū)3(圖2中未示出)的熱側(cè)6和背對此葉片區(qū)的冷側(cè)7。在內(nèi)殼11與活塞5之間形成一個屬于熱側(cè)6的漏泄流體輸送通道12。它至少部分構(gòu)成一個在活塞5與內(nèi)殼11之間的徑向間隙。在冷側(cè)7設(shè)一密封流體15的輸入通道14。在活塞5面朝冷側(cè)7的那一端設(shè)一個混合區(qū)13(一個腔室或類似結(jié)構(gòu))。漏泄流體輸送通道12以及密封流體15的輸入通道14均通往混合區(qū)13。一條導(dǎo)出通道16從混合區(qū)13通往內(nèi)殼11內(nèi)。在活塞5的冷側(cè)7上設(shè)置了一個帶有多個導(dǎo)流件9(見圖3)的輸送結(jié)構(gòu)8。在轉(zhuǎn)子2旋轉(zhuǎn)時此輸送結(jié)構(gòu)8起徑向通風(fēng)機的作用。因此無需其他附加裝置便可實現(xiàn)密封流體15流入混合區(qū)13內(nèi)。由此在混合區(qū)內(nèi)完成熱的漏泄流體17(即熱蒸汽)與較冷的密封流體15(即較冷的蒸汽)的混合。從混合區(qū)13經(jīng)導(dǎo)出通道16流出的、由漏泄流體17與密封流體15組成的混合流體18因而有比漏泄流體17低的溫度。由此取得兩方面效果。一方面，沒有熱的漏泄流體17經(jīng)活塞5排出，因為密封流體15逆漏泄流體17流動。另一方面，比漏泄流體17溫度低的混合流體18流入內(nèi)殼11。因此，與混合流體18接觸的透平部分，沒有如與工質(zhì)26接觸的透平部分那么高的熱負(fù)荷。所以，對于與混合流體18接觸的透平部分可以無風(fēng)險地采用能承受較低熱負(fù)荷的材料，即更便宜的以及可能更易于加工的材料。
圖3給出了圖2所示透平1活塞5區(qū)域的透視剖切圖。在其冷側(cè)7設(shè)有一些徑向槽，其構(gòu)成輸送結(jié)構(gòu)8的導(dǎo)流件9。
權(quán)利要求
1.一種透平(1)，其包括一個轉(zhuǎn)子(2)，該轉(zhuǎn)子有一個用作工作葉片(4)的葉片區(qū)(3)和一個推力平衡活塞(5)，該推力平衡活塞(5)有一個面朝葉片區(qū)(3)的熱側(cè)(6)和一個背對葉片區(qū)(3)的冷側(cè)(7)；其還包括一個混合區(qū)(13)，在冷側(cè)(7)配設(shè)的密封流體(15)輸入通道(14)及在流動上與葉片區(qū)(3)連通的漏泄流體輸送通道(12)均通入此混合區(qū)，并從此混合區(qū)分路接出一條導(dǎo)出通道(16)。
2.按照權(quán)利要求1所述的透平(1)，其中，在冷側(cè)(7)設(shè)置一個使密封流體(15)徑向向外流動的輸送結(jié)構(gòu)(8)，該輸送結(jié)構(gòu)(8)在流動上與密封流體(15)的輸入通道(14)相連通。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的透平(1)，其中，輸送結(jié)構(gòu)(8)有多個導(dǎo)流件(9)，如徑向槽、徑向孔或?qū)Я髌?br> 4.按照權(quán)利要求1至3中任何一項所述的透平(1)，其中，輸送結(jié)構(gòu)(8)與推力平衡活塞(5)為一整體件。
5.按照權(quán)利要求1至4中任何一項所述的透平(1)，該透平為蒸汽透平，尤其是中壓透平段。
6.按照上述權(quán)利要求中任何一項所述的透平(1)，包括一個外殼(10)，其中設(shè)一內(nèi)殼(11)，內(nèi)殼(11)圍繞轉(zhuǎn)子(2)，且在推力平衡活塞(5)與內(nèi)殼(11)之間形成具有徑向間隙的漏泄流體輸送通道(12)。
7.按照上述權(quán)利要求中任何一項所述的透平(1)，其為單流道透平。
8.導(dǎo)出熱漏泄流體(17)的方法，該透平(1)中的漏泄流體(17)流過在轉(zhuǎn)子(2)的推力平衡活塞(5)和固定不動的透平部分(11)之間的徑向間隙(12)，該熱漏泄流體(17)與較冷的密封流體(15)混合，并被導(dǎo)出。
9.按照權(quán)利要求8所述的方法，其中，該漏泄流體(17)在推力平衡活塞(5)處與密封流體(15)混合。
10.按照權(quán)利要求8或9所述的方法，其中，由于轉(zhuǎn)子(2)的旋轉(zhuǎn)該密封流體(15)借助于設(shè)置在推力平衡活塞(5)上的輸送結(jié)構(gòu)(8)沿徑向向外輸送。
11.按照權(quán)利要求8至10中任何一項所述的方法，其中漏泄流體(17)是熱蒸汽，密封流體(15)是較冷的蒸汽。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種帶有單轉(zhuǎn)子(2)的透平(1),該轉(zhuǎn)子有一個用作工作葉片(4)的葉片區(qū)(3)和一個推力平衡活塞(5)。推力平衡活塞(5)有一個面朝葉片區(qū)(3)的熱側(cè)(6)和一個背對葉片區(qū)(3)的冷側(cè)。在冷側(cè)(7)配設(shè)的密封流體(15)輸入通道(14)及在流動上與葉片區(qū)(3)連通的漏泄流體輸送通道(12)均從一側(cè)通入一個混合區(qū)(13)內(nèi),并從此混合區(qū)另一側(cè)分路接出一條導(dǎo)出通道(16)。本發(fā)明還涉及導(dǎo)出熱漏泄流體(17)的方法。該漏泄流體(17)在透平(1)內(nèi)流過在轉(zhuǎn)子(2)的推力平衡活塞(5)與固定不動的透平部分(11)之間的徑向間隙(12),其與較冷的密封流體(15)混合,并被導(dǎo)出。
文檔編號F01D25/16GK1370254SQ00811954
公開日2002年9月18日 申請日期2000年8月18日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月27日
發(fā)明者斯蒂芬·薩斯, 雷納·塔姆 申請人:西門子公司