[發(fā)明專利]反向流動(dòng)式高壓-低壓蒸汽渦輪

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910215152.2
• 申請(qǐng)日: 2009-12-23
• 公開（公告）號(hào): CN102094681A
• 公開（公告）日: 2011-06-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: N·埃爾南德斯
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 通用電氣公司
• 主分類號(hào): F01D3/02
• 分類號(hào): F01D3/02;F01D25/16;F01D25/26;F01D25/00
• 代理公司: 中國(guó)專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 嚴(yán)志軍;楊松齡

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明大體而言涉及蒸汽渦輪，且更具體而言，涉及在蒸氣渦輪內(nèi)用來最小化推力的蒸汽流動(dòng)布置。

背景技術(shù)

目前，大型蒸汽渦輪常用于具有蒸汽渦輪和燃?xì)鉁u輪的大型聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，蒸汽渦輪和燃?xì)鉁u輪一起驅(qū)動(dòng)作為負(fù)荷的發(fā)電機(jī)。已提出了用于聯(lián)合循環(huán)中燃?xì)鉁u輪和蒸汽渦輪的許多布置。聯(lián)合循環(huán)是集成式熱循環(huán)，其中來自燃?xì)鉁u輪的熱排氣貢獻(xiàn)熱能，以部分地或全部地生成在蒸氣渦輪中使用的蒸汽。

蒸汽渦輪是從加壓蒸汽提取能量并將該能量轉(zhuǎn)換成有用功的機(jī)械設(shè)備。蒸汽渦輪通過多個(gè)固定噴嘴接收處于入口壓力的蒸汽流，噴嘴對(duì)著旋轉(zhuǎn)地附連到渦輪轉(zhuǎn)子上的葉片引導(dǎo)該蒸汽流。蒸汽流沖擊在葉片上引起扭矩，該扭矩使渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而形成用于使發(fā)電機(jī)等轉(zhuǎn)動(dòng)的有用的動(dòng)力源。蒸汽渦輪沿著轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度包括多個(gè)噴嘴(或固定輪葉)和葉片對(duì)。各個(gè)噴嘴和葉片對(duì)被稱作級(jí)。各個(gè)級(jí)從蒸汽流提取一定量的能量，使得蒸汽壓力降低且蒸汽流的比體積膨脹。因此，噴嘴和葉片(級(jí))的尺寸和它們距轉(zhuǎn)子的距離在后面的級(jí)中逐漸變得更大。出于成本和效率目的，大體上希望能在將排出的蒸汽流排放到冷凝器中的真空之前提取盡可能大部分的能量。

在大型電力蒸汽渦輪中，級(jí)的數(shù)目和直徑變得巨大。通常，希望將能量提取過程分到兩個(gè)單獨(dú)渦輪內(nèi)，這兩個(gè)渦輪被稱作高壓蒸汽渦輪和低壓蒸汽渦輪。高壓蒸汽渦輪接受處于高壓的初始蒸汽流且排到低壓蒸汽渦輪內(nèi)，低壓蒸汽渦輪繼續(xù)能量提取過程。高壓蒸汽渦輪必須被構(gòu)造成以便承受由高壓蒸汽所形成的較大的力。低壓蒸汽渦輪必須較大，以適應(yīng)處于降低的壓力的蒸汽的較大比體積。

蒸汽渦輪還可關(guān)于從熱到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換中蒸汽的作用來分類。可通過沖擊機(jī)制、反作用機(jī)制或者二者的組合來發(fā)生能量轉(zhuǎn)換。沖擊式渦輪具有將蒸汽流定向?yàn)楦咚偕淞鞯墓潭▏娮臁＿@些射流包含大量的動(dòng)能，在蒸氣射流改變方向時(shí)，由葉片將該動(dòng)能轉(zhuǎn)換成軸旋轉(zhuǎn)。僅在固定輪葉上發(fā)生壓力降，且越過該級(jí)，蒸汽速度有凈增加。

在反動(dòng)式渦輪中，轉(zhuǎn)子輪葉自身布置成形成會(huì)聚噴嘴。這種類型的渦輪使用蒸汽通過轉(zhuǎn)子形成的噴嘴而加速時(shí)所產(chǎn)生的反作用力。由定子的固定導(dǎo)葉將蒸汽引導(dǎo)至轉(zhuǎn)子上。其作為射流離開定子，該射流填充轉(zhuǎn)子的整個(gè)周邊。然后，蒸汽改變方向且相對(duì)于輪葉速度增大其速度。越過定子和轉(zhuǎn)子兩者都發(fā)生壓力降，且蒸汽通過定子加速并通過轉(zhuǎn)子減速，且越過該級(jí)沒有蒸汽速度的凈變化，但壓力和溫度兩者都降低，反映了轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)中所做的功。在歷史上，在從蒸汽渦輪提取能量時(shí)并未充分利用該反作用機(jī)制，部分地由于渦輪性能被認(rèn)為是足夠的，且部分地由于難以對(duì)轉(zhuǎn)子軸上的、由移動(dòng)的輪葉上的增大的反作用力所致的增大的軸向推力做出響應(yīng)。

增加的燃料成本和客戶對(duì)于改進(jìn)的蒸汽渦輪性能的希望，增加了對(duì)于通過更高的反作用力輸出來驅(qū)動(dòng)增大的效率的興趣。舉例而言，單流式HP-LP蒸汽渦輪常用于脫鹽設(shè)備，其中這些設(shè)備位于燃料相對(duì)廉價(jià)的地方。即便如此，由于目前的燃料價(jià)格，即使是對(duì)于這些應(yīng)用，性能也變成了重要的參數(shù)。這些類型的設(shè)備的性能花費(fèi)在過去的2/3年中從$300/kw到了$800/kW，突出了當(dāng)前的改進(jìn)性能的重要性。

在圖1中示出了單流式高壓-低壓(HP-LP)蒸汽渦輪的常規(guī)布置。HP-LP蒸汽渦輪的流動(dòng)路徑可被限定為支承于一對(duì)軸頸軸承之間的渦輪單元之間的蒸汽流動(dòng)。在單流式HP-LP蒸汽渦輪5中，當(dāng)前定向是首先為HP渦輪10，之后為L(zhǎng)P渦輪20，二者在相同方向上對(duì)準(zhǔn)且由豎直接頭25連接。HP-LP渦輪5的共同轉(zhuǎn)子軸30可在相對(duì)端處由軸頸軸承35支承。軸向HP蒸汽流50穿過豎直接頭25，且軸向LP蒸汽流55在相同方向上穿過HP-LP蒸汽渦輪5，形成HP推力60和LP推力65，導(dǎo)致加和的凈推力70。另外，可在共同轉(zhuǎn)子軸30的端部處提供一個(gè)大組合推力軸承40，以吸收HP渦輪10與LP渦輪20的組合凈推力70。在許多情況下，對(duì)于該應(yīng)用，組合推力軸承40尺寸設(shè)置成盡可能大。

先前，通過在蒸氣渦輪設(shè)計(jì)中使用大推力軸承和低反作用力水平來解決大軸向推力的問題。這并不是一個(gè)好的性能組合，因?yàn)榇笸屏S承表示大的軸承損失，且低反作用力表示低的蒸汽路徑性能。這樣的構(gòu)造不具有或具有很小的性能改進(jìn)空間。

如果要改進(jìn)蒸汽路徑性能，留下可用的主要改進(jìn)源頭是提高HP渦輪和LP渦輪其中之一或者二者中的級(jí)反作用力。但提高的級(jí)反作用力會(huì)導(dǎo)致增大的推力負(fù)荷，增加的推力負(fù)荷需要更大的推力處理能力(反映為推力軸承更大的尺寸)。在利用單流式HP-LP蒸汽渦輪單元的一些應(yīng)用中，當(dāng)前單元已使用了可用的最大尺寸的特定用途軸承。推力軸承的尺寸已限制了HP-LP單流式單元的性能，迫使有大約5％的低反作用力蒸汽路徑設(shè)計(jì)。