包括推力平衡活塞的蒸汽轮机

摘要

本发明涉及一种用于蒸汽轮机（1）的冷却机构，所述冷却机构在阀连接部（40）的区域中提供冷却通道（37），所述冷却通道由来自于流动通道（9）的冷却蒸汽流过，并且紧接着蒸汽作为冷却蒸汽被供给到推力平衡活塞（4）的区域中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有外壳体和内壳体的蒸汽轮机，其中具有推力平 衡活塞的、包括多个工作叶片的转子以能旋转安装的方式设置在内壳体 的内部，其中所述内壳体具有围绕推力平衡活塞构成的内壳体端部区 域，其中密封件密封设置在内壳体区域和外壳体之间的第三压力腔，其 中所述内壳体具有供给通道，所述供给通道将第一压力腔与推力平衡活 塞前腔连接，所述推力平衡活塞前腔设置在推力平衡活塞和内壳体之 间。

背景技术

就本申请而言蒸汽轮机理解为任意的涡轮机或者部分涡轮机，所述 涡轮机或部分涡轮机由蒸汽形式的工作介质通流。与之不同的是，燃气 轮机由作为工作介质的燃气和/或空气通流，但是所述燃气和/或空气与 蒸汽轮机中的蒸汽相比经受完全不同的温度和压力条件。相对于燃气轮 机，在蒸汽轮机中例如流入部分涡轮机的具有最高的温度的工作介质同 时具有最高的压力。在燃气轮机中也是能够实现朝向流动通道开放的开 放冷却系统，而不从外部供给冷却介质。对于蒸汽轮机应设置用于冷却 介质的外部供给装置。因此，涉及现有技术的燃气轮机已经不能够用于 评估本申请的对象。

蒸汽轮机通常包括装有叶片的以能够旋转的方式安装的转子，所述 转子设置在壳体或者壳体外罩的内部。在以加热的并且处于压力下的蒸 汽通流由壳体外罩形成的流动通道内腔时，经由叶片通过蒸汽使转子旋 转。转子的叶片也被称为工作叶片。除此之外在内壳体上通常悬置有静 止的导向叶片，所述导向叶片沿着体部的轴向扩展伸入到转子叶片的中 间腔中。导向叶片通常保持在沿着蒸汽轮机壳体的内侧的第一部位上。 在此它通常是导向叶片排的部分，所述导向叶片排包括一些导向叶片， 所述导向叶片沿着内圆周设置在蒸汽轮机壳体的内侧上。在此各个导向 叶片以其叶片叶部径向向内指向。在沿着轴向扩展的所谓的第一部位上 的导向叶片排也被称为导向叶片栅或者导向叶片环。通常一些导向叶片 排一个接一个地连接。相应地，另一个第二叶片沿着蒸汽轮机壳体的内 侧保持在沿着轴向扩展在第一部位之后的第二部位上。一对导向叶片排 和工作叶片排也被称为叶片级。

这类蒸汽轮机的壳体外罩能够由一些壳体部段形成。尤其地，蒸汽 轮机的壳体外罩可理解为蒸汽轮机或者部分涡轮机的静止的壳体构件， 所述静止的壳体构件沿着蒸汽轮机的纵向方向具有流动通道状的内腔， 所述内腔设置为用于以蒸汽形式的工作介质穿流。所述静止的壳体构件 根据蒸汽轮机类型能够是内壳体和/或导向叶片载体，其不具有内壳体 或导向叶片载体。

出于效率原因，这种蒸汽轮机的设计方案对于所谓的“高的蒸汽参 数”，也就是说特别是高的蒸汽压力和/或高的蒸汽温度是值得期望的。 当然，温度提高特别是出于材料技术的原因不是无限可能的。在此为了 即使在尤其高的温度下也实现蒸汽轮机的可靠运行，因此冷却各个构件 或者部件是值得期望的。构件通常在其耐温性中根据材料选择受到限 制。如果没有有效的冷却，在温度升高的情况下，基本上更昂贵的材料 （例如镍基合金）可能是必需的。

在迄今为止已知的冷却方法中，特别是在用于呈蒸汽轮机壳体或转 子形式的蒸汽轮机体部的冷却方法中，可在主动冷却和被动冷却之间进 行区分。在主动冷却中，冷却通过单独地供给给蒸汽轮机体部的，也就 是说除了工作介质以外被供给给蒸汽轮机体部的冷却介质起作用。与之 相反，被动的冷却仅通过适当地引导或者使用工作介质来实现。迄今为 止，蒸汽轮机壳体优选被动地进行冷却。

为了在以矿物燃料发电时实现更高的效率，产生如下需求，即在涡 轮机中应用与迄今为止通常应用的蒸汽参数相比更高的蒸汽参数，也就 是说更高的压力和温度。在高温蒸汽轮机中，在蒸汽作为工作介质的情 况下，设置部分地远超过500℃的温度。

迄今为止已知的用于蒸汽轮机壳体的冷却方法，只要其总体上是主 动的冷却方法，就无论如何都设有分离的和待冷却的涡轮机部分的有针 对性的迎流，并且在包含第一引导叶片环的条件下无论如何受限于工作 介质的进流区域。这能够在通常的具有高的蒸汽参数的蒸汽轮机负荷的 情况下导致作用于整个涡轮机的热负荷提高，所述热负荷通过在上文中 所描述的壳体的通常的冷却仅能够被不充分地降低。为了实现提高的效 率原则上以更高的蒸汽参数工作的蒸汽轮机需要改善的冷却，特别是对 壳体和/或转子的改善的冷却，以便以足够的程度抵消蒸汽轮机的更高 的热负荷。在此产生如下问题，即在使用迄今为止常用的涡轮机材料时， 对于蒸汽轮机体部的由于蒸汽参数提高而越来越高的要求可能导致蒸 汽轮机的不利的、限制使用寿命的热负荷。因此，几乎不再能经济地制 造这样的蒸汽轮机。

对此重要的是，除了设计转子和壳体连同螺钉，也设计阀连接部本 身来抵抗高温和高压。

发明内容

本发明的目的是，提出一种蒸汽轮机，所述蒸汽轮机本身能够在高 温区域中尤其有效地被冷却。

所述目的通过具有根据权利要求1所述的特征的蒸汽轮机来实现。

有利的改进方案在从属权利要求中给出。

在一个有利的改进方案中，密封件构成为活塞环，这导致根据本发 明的蒸汽轮机的快速且低成本的生产。

在另一个有利的改进方案中，蒸汽轮机包括用于将蒸汽供给到流动 通道中的阀，其中冷却通道在阀连接部中构成，所述阀连接部与第一压 力腔流体地连接。有利地，冷却通道与第三压力腔流体地连接。

本发明基于如下思想，即构件的自身的冷却是可能的，在所述构件 中，经由不同的压力水平实现或者迫使有针对性的压力流。因此第一压 力腔中的压力大于第三压力腔中的压力。因此，设置成使得其对承受温 度负荷的构件进行绕流的冷却通道由冷却的蒸汽强制绕流。因此，可明 显提高对于阀连接部的构件的冷却效果。所述冷却效果通过如下方式实 现，即第三压力腔与推力平衡活塞前腔直接连接。

有利地，冷却通道设置在阀扩散器和外壳体之间。

附图说明

根据实施例详细阐述本发明。具有相同的附图标记的构件基本上具 有相同的作用方式。其示出：

图1示出根据本发明的蒸汽轮机的横截面视图；

图2示出在穿过根据本发明的蒸汽轮机的入流部的剖面中的横截面 视图。

具体实施方式

在图1中描述了穿过蒸汽轮机1的横截面。蒸汽轮机1具有外壳体 2和内壳体3。内壳体3和外壳体2具有新鲜蒸汽供给通道，所述新鲜 蒸汽供给通道在图2中详细阐述。在内壳体3的内部以可旋转安装的方 式设置有具有推力平衡活塞4的转子5。通常转子围绕旋转轴线6旋转 对称地构成。转子5包括多个工作叶片7。内壳体3具有多个导向叶片 8。在内壳体3和转子5之间构成流动通道9。流动通道9包括多个叶片 级，所述多个叶片级分别由一排工作叶片7和一排导向叶片8构成。

新鲜蒸汽经由新鲜蒸汽供给通道流入到进流口10中并且从该处离 开沿流动方向11流动穿过流动通道9，所述流动方向基本上平行于旋转 轴线6伸展。新鲜蒸汽膨胀并且在此冷却。热能在此被转化为转动能。 转子5进行旋转运动并且例如能够驱动发电机来产生电能。

根据导向叶片8的和工作叶片7的叶片类型，在流动方向11上产生 对转子5的或多或少更大的推力。通常推力平衡活塞4构成为，使得推 力平衡活塞前腔12构成并且被限定的压力加载。在此从流动方向11来 看，推力平衡活塞前腔12在推力平衡活塞4上游。通过将具有特定压 力的蒸汽供给到推力平衡活塞前腔12中而产生反作用力，所述反作用 力抵消叶片路径的推力13。

在运行中，蒸汽流入到进流口10中。新鲜蒸汽供给象征性地通过箭 头13a来表示。新鲜蒸汽在此通常具有例如直至625℃的温度值和直至 350bar的压力。新鲜蒸汽在流动方向11上流动穿过流动通道9。在叶 片级后方，蒸汽经由连接部流入到推力平衡活塞前腔12中，所述连接 部包括引出通道14、第一压力腔15和供给通道16。

特别地，蒸汽经由引出通道14流入到第一压力腔15中，所述引出 通道在叶片级后方构成为第一压力腔15和流动通道9之间的连通管， 所述第一压力腔在内壳体3和外壳体2之间构成。在这个第一压力腔15 中，存在为p₁的压力。处于内壳体3和外壳体2之间的第一压力腔15 中的蒸汽此时具有更低的温度值和压力值。所述蒸汽经由供给通道16 流动，所述供给通道构成为第一压力腔15和推力平衡活塞前腔12之间 的连通管。

推力平衡活塞前腔12在轴向方向17上设置在推力平衡活塞4和内 壳体3之间。推力平衡活塞前腔12也能够被称为第二压力腔。在这个 第二压力腔中存在压力p₂。

流入到进流口10中的新鲜蒸汽大部分在流动方向11上流动穿过流 动通道9。小部分作为漏汽流入到泄漏密封腔18中。这个泄漏密封腔 18在内壳体3和转子5之间构成。漏汽在此基本上在反方向19上流动。 反方向19在此相反于流动方向11定向。漏汽经由交叉返回通道20流 入到流动通道9中，所述交叉返回通道构成为密封腔18和设置在叶片 级后方的入流腔26之间的连通管，所述密封腔在转子5和壳体3之间 构成。在此交叉返回通道20构成为从密封腔18朝向第一压力腔15基 本上垂直于流动方向11，在偏转部21之后基本上平行于流动方向11并 且在第二偏转部22之后基本上垂直于流动方向11，但是不使密封腔18 与第一压力腔15连接。

在一个可替选的实施方式中，内壳体3和外壳体2构造有未详细示 出的过载导入部23。外部的蒸汽经由单独的入流部流入到过载导入部 23中。

在一个优选的实施例中，引出通道14与返回叶片级24下游的流动 通道9连接，并且交叉返回通道20与交叉返回叶片级25下游的流动通 道9连接。鉴于蒸汽的膨胀，交叉返回叶片级25在此在流动通道9的 流动方向11上设置在返回叶片级24下游。

在一个尤其优选的实施例中，返回叶片级24是第四叶片级并且交叉 返回叶片级25是第五叶片级。

在内壳体3和外壳体2之间，在推力平衡活塞4的区域中设置有密 封件27。有效地，该密封件27例如构成为活塞环并且设置在内壳体3 中的凹槽28中。密封件27由此将第一压力腔15与第三压力腔29分开。 在第三压力腔29中存在压力p₃。压力p₃能够近似等于压力p₁。第三压 力腔29由另一个密封件30来限界。另一个密封件30设置在内壳体3 和外壳体2之间并且将第三压力腔29与第四压力腔31分开，在所述第 四压力腔中存在压力p₄。

第三压力腔29经由直接的连接部32与推力平衡活塞前腔12连接。 在推力平衡活塞前腔中存在压力p₂，其中适用的是：p₂<p₃。连接部32 表示流体的连接并且能够实现位于第三压力腔29中的蒸汽流入到推力 平衡活塞前腔12中。位于第四压力腔31中的蒸汽在内壳体端部区域33 中通到推力平衡活塞4的推力平衡活塞表面34上。

在图2中在穿过入流部35的剖面中示出穿过蒸汽轮机1的横截面。 入流部35包括阀扩散器36。新鲜蒸汽从阀扩散器36流入到进流口10 中，并且从该处，如关于图1所描述的，流动穿过流动通道9。流入到 第一压力腔15中的蒸汽能够部分地流入到环形冷却通道37中，所述环 形冷却通道在阀扩散器36和外壳体2之间构成。在转向点38中，蒸汽 经由外壳体2中的另一个冷却通道39朝向第三压力腔29流动。蒸汽从 第三压力腔29经由连接部32流到推力平衡活塞前腔12中。因为压力 p₁>p₃>p₄，所以因此通过这个构件区域产生了的有针对性的强制流动， 所述强制流动有利地冷却阀连接部40。因此可对阀连接部40进行有效 的冷却，而不使用外部的冷却蒸汽。阀扩散器36在此密封地设置到内 壳体3上。

在转子5和内壳体3之间，在推力平衡活塞4的区域中，特别是在 泄漏密封腔18和第二泄漏密封腔41中，通常设置有无接触的密封元件， 例如密封带，所述密封带实现了减压和这些压力腔的分开。为了保证对 阀连接部40的冷却，从推力平衡活塞前腔12经由密封腔18的部分区 域，进一步经由交叉返回通道20到流动通道9中的入流腔26的蒸汽的 返回是必要的。