專利名稱：反向流動式高壓-低壓蒸汽渦輪的制作方法
技術領域：
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 力的蒸汽流動布置。
背景技術：
目前，大型蒸汽渦輪常用于具有蒸汽渦輪和燃氣渦輪的大型聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)， 蒸汽渦輪和燃氣渦輪一起驅(qū)動作為負荷的發(fā)電機。已提出了用于聯(lián)合循環(huán)中燃氣渦輪和蒸 汽渦輪的許多布置。聯(lián)合循環(huán)是集成式熱循環(huán)，其中來自燃氣渦輪的熱排氣貢獻熱能，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)換成有用功的機械設備。蒸汽渦輪 通過多個固定噴嘴接收處于入口壓力的蒸汽流，噴嘴對著旋轉(zhuǎn)地附連到渦輪轉(zhuǎn)子上的葉片 引導該蒸汽流。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) 電機等轉(zhuǎn)動的有用的動力源。蒸汽渦輪沿著轉(zhuǎn)子長度包括多個噴嘴(或固定輪葉)和葉片 對。各個噴嘴和葉片對被稱作級。各個級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)的尺寸和它們距轉(zhuǎn)子的距離在后面的級 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 到兩個單獨渦輪內(nèi)，這兩個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 適應處于降低的壓力的蒸汽的較大比體積。蒸汽渦輪還可關于從熱到機械能的轉(zhuǎn)換中蒸汽的作用來分類?？赏ㄟ^沖擊機制、 反作用機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為高速射流的 固定噴嘴。這些射流包含大量的動能，在蒸氣射流改變方向時，由葉片將該動能轉(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，蒸汽速度有凈增加。在反動式渦輪中，轉(zhuǎn)子輪葉自身布置成形成會聚噴嘴。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所產(chǎn)生的反作用力。由定子的固定導葉將蒸汽引導至轉(zhuǎn)子 上。其作為射流離開定子，該射流填充轉(zhuǎn)子的整個周邊。然后，蒸汽改變方向且相對于輪葉 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)動中所做 的功。在歷史上，在從蒸汽渦輪提取能量時并未充分利用該反作用機制，部分地由于渦輪性 能被認為是足夠的，且部分地由于難以對轉(zhuǎn)子軸上的、由移動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。增加的燃料成本和客戶對于改進的蒸汽渦輪性能的希望，增加了對于通過更高的 反作用力輸出來驅(qū)動增大的效率的興趣。舉例而言，單流式HP-LP蒸汽渦輪常用于脫鹽設備，其中這些設備位于燃料相對廉價的地方。即便如此，由于目前的燃料價格，即使是對于 這些應用，性能也變成了重要的參數(shù)。這些類型的設備的性能花費在過去的2/3年中從 $300/kw到了 $800/kW，突出了當前的改進性能的重要性。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 輪的流動路徑可被限定為支承于一對軸頸軸承之間的渦輪單元之間的蒸汽流動。在單流式 HP-LP蒸汽渦輪5中，當前定向是首先為HP渦輪10，之后為LP渦輪20，二者在相同方向上 對準且由豎直接頭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，對于該應用，組合推力軸承40尺寸設置成盡可能大。先前，通過在蒸氣渦輪設計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。這并不是一個好的性能組合，因為大推力軸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空間。如果要改進蒸汽路徑性能，留下可用的主要改進源頭是提高HP渦輪和LP渦輪其 中之一或者二者中的級反作用力。但提高的級反作用力會導致增大的推力負荷，增加的推 力負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用中，當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計。因此，需要提供一種用于HP蒸汽渦輪與LP蒸汽渦輪組合以有利地限制推力的布 置，從而可通過提高級反作用力來改進總蒸汽路徑效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種用于HP蒸汽渦輪與LP蒸汽渦輪組合以有利地限制推力的布置， 使得可通過增大級反作用力來改進用于該組合的總蒸汽路徑效率。簡言之，根據(jù)一個方面， 提供了一種反向流動式蒸汽渦輪。該反向流動式蒸汽渦輪包括高壓蒸汽渦輪和低壓蒸汽渦 輪。提供高壓蒸汽渦輪與低壓蒸汽渦輪共同的轉(zhuǎn)子軸。提供通過高壓蒸汽渦輪的第一蒸汽 流動路徑。提供在相反方向上通過低壓蒸汽渦輪的第二蒸汽流動路徑。提供用于將第一蒸 汽流動路徑自高壓蒸汽渦輪引導至在相反方向上的、通過低壓蒸汽渦輪的第二蒸汽流動路 徑的裝置。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種用于在反向流動式高壓-低壓蒸汽渦輪中布 置蒸汽流動路徑的方法。該方法包括在共同轉(zhuǎn)子軸上布置高壓蒸汽渦輪和低壓蒸汽渦輪。 該方法還包括通過高壓蒸汽渦輪來引導第一蒸汽流動路徑，通過低壓蒸汽渦輪在相反的方 向上引導第二蒸汽流動路徑，以及將離開高壓蒸汽渦輪的蒸汽流動路徑引導至在相反方向 上的、通過低壓蒸汽渦輪的第二蒸汽流動路徑的入口。


當參看附圖來閱讀下文的具體實施方式
時，本發(fā)明的這些和其它特點、方面和優(yōu) 點將會得到更好的理解，在所有附圖中，相似的標號表示相似的部件，在附圖中
圖1示出了單流式高壓-低壓(HP-LP)蒸汽渦輪的常規(guī)布置；圖2示出了反向流動式HP-LP蒸汽渦輪的第一實施例，其具有用于重引導流動的 跨越管；圖3示出了反向流動式HP-LP蒸汽渦輪的第二實施例，其在HP渦輪上具有雙殼體 以用于重引導流動；以及圖4示出了用于在反向流動式高壓-低壓蒸汽渦輪中布置蒸汽流動路徑的流程 圖。部件列表5單流式HP-LP蒸汽渦輪IOHP蒸汽渦輪20LP蒸汽渦輪25豎直接頭30轉(zhuǎn)子 軸35軸頸軸承40大推力軸承50HP蒸汽流55LP蒸汽流60HP渦輪推力65LP渦輪推力70 凈推力80用于將第一蒸汽流動路徑引導至第二蒸汽流動路徑的裝置105反向流動式HP-LP 蒸汽渦輪110HP蒸汽渦輪115高壓端116低壓端120LP蒸汽渦輪125高壓端126低壓端 130轉(zhuǎn)子軸135軸頸軸承136軸頸軸承145小推力軸承146小推力軸承150HP蒸汽流151 跨越蒸汽流155LP蒸汽流160HP渦輪推力170LP渦輪推力180凈推力195跨越蒸汽流儀 表205反向流動式HP-LP蒸汽渦輪210HP蒸汽渦輪215高壓端216低壓端220LP蒸汽渦輪 225高壓端226低壓端230轉(zhuǎn)子軸235軸頸軸承236軸頸軸承245小推力軸承246小推力 軸承250HP蒸汽流251跨越蒸汽流255LP蒸汽流260HP渦輪推力265LP渦輪推力270凈推 力290套管接頭295跨越蒸汽流儀表
具體實施例方式本發(fā)明的下面的實施例具有許多優(yōu)點，包括提供這樣的反向流動式高壓-低壓蒸 汽渦輪其平衡高壓蒸汽渦輪的推力與低壓蒸汽渦輪的推力，從而允許減小推力軸承的尺 寸。可在兩個渦輪中結(jié)合更高的級反作用力，因為它們由于反向流動而抵消(offset)，從而 允許有更高的蒸汽路徑效率?？赏ㄟ^跨越管或者利用雙高壓殼體來建立反向流動。分析表 明了至少2%的HP蒸汽路徑效率的可能增加及大約40%的總推力負荷降低。圖2示出了反向流動式蒸汽渦輪的一個實施例。反向流動式蒸汽渦輪105包括HP 蒸汽渦輪110和LP蒸汽渦輪120。提供HP蒸汽渦輪與LP蒸汽渦輪共同的轉(zhuǎn)子軸130。提 供通過HP蒸汽渦輪110的第一蒸汽流動路徑150。提供在相反方向上的、通過LP蒸汽渦輪 120的第二蒸汽流動路徑155。還提供用于將第一蒸汽流動路徑150從HP蒸汽渦輪110引 導至相反方向上的、通過LP蒸汽渦輪120的第二蒸汽流動路徑155的裝置80。在本發(fā)明的 這個第一實施例中，裝置可包括用于將蒸汽從HP蒸汽渦輪110的LP端116傳送到LP蒸汽 渦輪120的HP端125的跨越管。提供軸承座，以用于反向流動式蒸汽渦輪105，該軸承座包括HP蒸汽渦輪110的低 壓端116處的軸頸軸承135和LP蒸汽渦輪120的低壓端126處的軸頸軸承136。在HP蒸 汽渦輪110的低壓端116處提供第一推力軸承145。在LP蒸汽渦輪120的低壓端126處提 供第二推力軸承146。由HP蒸汽渦輪110施加的推力160與由共同轉(zhuǎn)子130上的LP蒸汽 渦輪120施加的推力170，被標稱地設計為具有大約相同的量值和相反的方向。凈推力180 將理想地具有零的量值，然而，由兩個渦輪施加的推力不能在整個負荷范圍上完全平衡，因 此確實存在小的非零凈推力180。因而，HP-LP渦輪的相對端處的推力軸承145、146需要尺 寸設置成以便接收小的非零推力，而不是單流式HP-LP渦輪的組合的加和推力負荷。在單流式HP-LP蒸汽渦輪中，不能調(diào)節(jié)相加的推力。利用反向流動式蒸汽渦輪，由于HP蒸汽渦輪和LP蒸汽渦輪中相反的蒸汽流引起的推力平衡，允許接受一個或兩個單獨 的渦輪上的增加的推力。因此，單獨的HP和LP蒸汽渦輪可被設計成具有提高的反作用力， 從而導致更高效率的蒸汽路徑。在圖3中示出了反向流動式HP-LP蒸汽渦輪的第二實施例。HP-LP蒸汽渦輪305 的第二實施例包括與第一實施例的推力軸承和軸頸軸承布置類似的推力軸承245、246與 軸頸軸承235、236布置。HP渦輪包括用于將第一蒸汽流動路徑從高壓蒸汽渦輪引導至相反 方向上的、通過低壓蒸汽渦輪的第二蒸汽流動路徑的裝置。這些裝置包括HP蒸汽渦輪210 上的內(nèi)殼體211，其適于提供通過HP蒸汽渦輪的第一蒸汽流動路徑250。外殼體212使第 一流從高壓側(cè)重引導到低壓側(cè)、通過高壓蒸汽渦輪，使之沿相反方向251返回，并到達HP蒸 汽渦輪與LP蒸汽渦輪之間的豎直套管接頭290。套管接頭290適于將來自HP蒸汽渦輪210的外殼體212的跨越蒸汽流251接收 至LP蒸汽渦輪220的蒸汽流動路徑155中。圖2和圖3兩者的實施例都通過提供對HP渦輪與LP渦輪之間的蒸汽流的有利監(jiān) 測，而提供了優(yōu)于單流式HP-LP蒸汽渦輪5的另外的優(yōu)點。在單流式HP-LP蒸汽渦輪的豎 直接頭25(圖1)中的受限的儀表放置，可能不允許對穿過該接頭的流進行代表性測量。在 本發(fā)明的實施例中，儀表可設于反向流動式HP-LP蒸汽渦輪的跨越蒸汽流動路徑151、251 上，其適于監(jiān)測多個蒸汽流參數(shù)。用于溫度、壓力、流量等的傳感器195、295可放置于跨越 管180 (圖2)中或者套管接頭290 (圖2)處。流動的廣泛混合發(fā)生于上游的跨越管和通過 外殼體212的流兩者中，允許在HP區(qū)段的排氣處進行更準確的測量，因為蒸汽將被混合，且 由蒸汽路徑膨脹所造成的溫度分布將被消除或減輕。對這些參數(shù)更準確的測量允許對總體 渦輪運行進行更好的控制。圖4示出了用于在反向流動式HP-LP蒸汽渦輪中布置蒸汽流動路徑的流程圖。步 驟410在共同轉(zhuǎn)子軸上布置HP蒸汽渦輪和LP蒸汽渦輪。步驟420提供了通過HP蒸汽渦 輪來引導第一蒸汽流動路徑。在步驟430中，在相反方向上通過LP蒸汽渦輪來引導第二蒸 汽流動路徑。在步驟440，可在相反方向上將第一蒸汽流動路徑從HP蒸汽渦輪的出口引導 至LP蒸汽渦輪的入口。該方法還包括利用第一軸頸軸承來支承HP蒸汽渦輪的LP端及利用第二軸頸軸承 來支承LP蒸汽渦輪的LP端的步驟450。步驟455包括利用第一推力軸承來吸收HP蒸汽渦 輪的LP端處的推力及利用第二推力軸承來吸收在LP蒸汽渦輪的LP端處的推力。該方法還提供在運行期間平衡推力的步驟406，從而在反向流動式蒸汽渦輪運行 期間，轉(zhuǎn)子軸上的由HP渦輪所產(chǎn)生的第一推力和轉(zhuǎn)子軸上的由LP渦輪所產(chǎn)生的第二推力 近似平衡。步驟470結(jié)合了將提高的反作用力和提高的效率設計到蒸汽流動路徑中，如轉(zhuǎn) 子軸上的減小的推力所允許。在步驟480中，該方法通過跨越管將HP蒸汽渦輪的第一蒸汽流的出射流引導至LP 蒸汽渦輪中的第二蒸汽流，或備選地在包括HP蒸汽渦輪上的內(nèi)殼體、HP蒸汽渦輪上的外殼 體的路徑中，且通過HP蒸汽渦輪與LP蒸汽渦輪之間的套管接頭，將第一蒸汽流動路徑從HP 蒸汽渦輪引導至相反方向上的、通過LP蒸汽渦輪的第二蒸汽流動路徑，套管接頭適于從LP 蒸汽渦輪的外殼體接收跨越蒸汽流。步驟490使用安裝于HP蒸汽渦輪與LP蒸汽渦輪之間的跨越蒸汽流動路徑上的儀表來提供對多個蒸汽流參數(shù)進行監(jiān)測。步驟495包括通過采用來自跨越蒸汽流動路徑上的 儀表的混合流動信息數(shù)據(jù)以便進行蒸汽渦輪控制，來提高反向流動式高壓-LP蒸汽渦輪的 性能。 雖然在本文中描述了各種實施例，但根據(jù)說明書將了解的是，可對本發(fā)明做出元 件的各種組合、變型或改進，且它們都處在本發(fā)明的范疇內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種反向流動式蒸汽渦輪(105)，包括 高壓蒸汽渦輪(110)；低壓蒸汽渦輪(120)；所述高壓蒸汽渦輪(110)與所述低壓蒸汽渦輪(120)共同的轉(zhuǎn)子軸(130)； 在第一方向上的、通過所述高壓蒸汽渦輪(110)的第一蒸汽流動路徑(150)； 在相反方向上的、通過所述低壓蒸汽渦輪(120)的第二蒸汽流動路徑(155)；以及 用于將所述第一蒸汽流動路徑(150)從所述高壓蒸汽渦輪(110)引導至在相反方向上 的、通過所述低壓蒸汽渦輪(120)的所述第二蒸汽流動路徑(15 的裝置(180)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反向流動式蒸汽渦輪(105)，其特征在于，還包括 在所述高壓蒸汽渦輪(110)的低壓端(116)處的軸頸軸承(135)； 在所述低壓蒸汽渦輪(120)的低壓端(126)處的軸頸軸承(136)；在所述高壓蒸汽渦輪(110)的所述低壓端(116)處的第一推力軸承(130)；以及 在所述低壓蒸汽渦輪(120)的所述低壓端(126)處的第二推力軸承(146)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的反向流動式蒸汽渦輪(105)，其特征在于，在所述反向流動式 蒸汽渦輪(10 的運行期間，所述轉(zhuǎn)子軸(130)上的由所述高壓渦輪(110)產(chǎn)生的第一推 力(160)與所述轉(zhuǎn)子軸(130)上的由所述低壓渦輪(120)所產(chǎn)生的第二推力(170)相平衡。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的反向流動式蒸汽渦輪(105)，其特征在于，基于來自所述高壓 蒸汽渦輪(110)與所述低壓蒸汽渦輪(120)的反向流動的推力的近似平衡，所述第一推力 軸承145和所述第二推力軸承(146)設計為用于減小的推力。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的反向流動式蒸汽渦輪(105)，其特征在于，推力的所述近似平 衡允許高反作用力及高效率蒸汽路徑(150)、(155)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反向流動式蒸汽渦輪(105)，其特征在于，所述用于將所述第 一蒸汽流動路徑(150)從所述高壓蒸汽渦輪(110)引導至在相反方向上的、通過所述低壓 蒸汽渦輪(120)的所述第二蒸汽流動路徑(155)的裝置包括從所述高壓蒸汽渦輪(110)的低壓端(116)到所述低壓蒸汽渦輪(120)的高壓端 (125)的跨越管(180)；以及從所述高壓蒸汽渦輪(110)到所述低壓蒸汽渦輪(120)的通過所述跨越管(180)的跨 越蒸汽流(151)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的反向流動式蒸汽渦輪(105)，其特征在于，還包括所述高壓 蒸汽渦輪(Iio)與所述低壓蒸汽渦輪(120)之間的所述跨越蒸汽流動路徑(151)上的儀表 (195)，所述儀表(1%)適于監(jiān)測多個蒸汽流參數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的反向流動式蒸汽渦輪(105)，其特征在于，來自所述跨越蒸汽 流動路徑(151)上的所述儀表(1%)的數(shù)據(jù)包括用于進行蒸汽渦輪控制的混合流動信息。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反向流動式蒸汽渦輪(305)，其特征在于，所述用于將所述第 一蒸汽流動路徑(250)從所述高壓蒸汽渦輪O10)引導至在相反方向上的、通過所述低壓 蒸汽渦輪O20)的所述第二蒸汽流動路徑055)的裝置包括在所述高壓蒸汽渦輪(210)上的內(nèi)殼體011)，所述內(nèi)殼體(211)適于提供在第一方向 上的、通過所述高壓蒸汽渦輪O10)的第一蒸汽流動路徑O50)；所述第一蒸汽流動路徑(250)在所述第一方向上、通過所述高壓蒸汽渦輪O10)的所述內(nèi)殼體011)；在所述高壓蒸汽渦輪(210)上的外殼體012)，通過所述高壓蒸汽渦輪(210)上的所述外殼體(21 到達所述低壓蒸汽渦輪(220)的 跨越蒸汽流051)；以及在所述高壓蒸汽渦輪(210)與所述低壓蒸汽渦輪(220)之間的套管接頭090)，所述 套管接頭(四0)適于將所述跨越蒸汽流051)自所述高壓蒸汽渦輪OlO)的所述外殼體 (212)接收至所述低壓蒸汽渦輪O20)中。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的反向流動式蒸汽渦輪(305)，其特征在于，還包括所述高壓 蒸汽渦輪(210)與所述低壓蒸汽渦輪(220)之間的所述跨越蒸汽流動路徑(251)上的儀表 095)，所述儀表( 適于監(jiān)測多個蒸汽流參數(shù)。
全文摘要
反向流動式高壓-低壓蒸汽渦輪(105)、(305)使高壓蒸汽渦輪(110)、(120)的推力(160)、(260)與低壓蒸汽渦輪(120)、(220)的推力(265)相平衡，從而允許減小推力軸承的尺寸?？稍趦蓚€渦輪中結(jié)合更高的級反作用力，因為它們由于反向流動而抵消，從而允許有更高的蒸汽路徑效率?？赏ㄟ^跨越管(180)或者利用雙高壓殼體(211)、(212)來建立反向流動。
文檔編號F01D3/02GK102094681SQ20091021515
公開日2011年6月15日 申請日期2009年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月23日
發(fā)明者N·埃爾南德斯 申請人:通用電氣公司