專利名稱：渦輪機裝置的優(yōu)化的渦輪機級以及設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種渦輪機裝置的渦輪機，尤其是一種蒸汽渦輪機裝置的蒸汽渦輪機。另外本發(fā)明還涉及一種設(shè)計渦輪機的方法以及一種運行配有這種渦輪機的渦輪機裝置的方法。
背景技術(shù)：
由于不斷的努力以提高現(xiàn)代渦輪機裝置的效率，尤其是提高現(xiàn)代蒸汽渦輪機裝的效率，提高渦輪機裝置的過程溫度是值得追求的。過程溫度的提高一方面尤其是影響到渦輪機裝置的高壓渦輪機，另一方面又影響到渦輪機裝置的中壓渦輪機。由此渦輪機裝置被加載更高的溫度。這就導(dǎo)致了如今即使在蒸汽渦輪機中也已經(jīng)達(dá)到了不能在沒有溫度降低措施的情況下使用傳統(tǒng)的尤其用于渦輪機葉片組、流動通道壁以及渦輪機軸的材料的溫度了。
這樣的溫度降低措施例如可以是借助冷卻液冷卻渦輪機的葉片。燃?xì)鉁u輪機中葉片的冷卻長久以來已經(jīng)眾所周知。但是對此一方面要以合適的方式提供冷卻液，不管是通過外部的提供或者通過從渦輪機裝置的壓縮機級中的其中一級抽取出來。這就導(dǎo)致了渦輪機裝置的總效率降低。同樣在通過冷卻液流入到渦輪機的主流中來對葉片進(jìn)行薄膜冷卻或者擴散式冷卻的情況下也會造成空氣動力學(xué)的損失。
作為替代方案，葉片和一部分渦輪機軸可以使用高耐熱性的材料來制造，但這樣一來渦輪機的生產(chǎn)非常昂貴。
除了提高過程溫度外，主要還要力求提高過程壓力。通過提高過程參數(shù)，尤其是在高壓渦輪機的第一渦輪機級內(nèi)部會出現(xiàn)流過渦輪機的流體、通常是空氣或者說燃?xì)鉁u輪機里的廢氣或者蒸汽渦輪機里的蒸汽的只是相對較小的體積流量。
小的體積流量又以在小的葉片長寬比情況下的渦輪葉片的小的葉片高度為前提條件。因此要將這樣的渦輪機葉片組以高空氣動力學(xué)效率進(jìn)行設(shè)計常常是很難的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明設(shè)法解決這一問題。因此本發(fā)明的任務(wù)是說明一種開頭所述類型的渦輪機和一種設(shè)計渦輪機的方法。通過這種渦輪機和方法減少或者避免現(xiàn)有技術(shù)的缺點。
本發(fā)明尤其有助于提高渦輪機裝置的渦輪機的效率，尤其是提高蒸汽渦輪機裝置的蒸汽渦輪機的效率。根據(jù)另一方面，通過本發(fā)明提供了一種生產(chǎn)成本低且效率得到優(yōu)化的渦輪機，該渦輪機可以加載高的入口溫度。
這一任務(wù)按本發(fā)明將通過按權(quán)利要求1的渦輪機以及通過按其它裝置獨立權(quán)利要求的渦輪機裝置、通過按第一方法獨立權(quán)利要求的用于設(shè)計渦輪機的方法以及通過按其它方法獨立權(quán)利要求的用于運行按本發(fā)明構(gòu)造的渦輪機裝置的方法來解決。本發(fā)明其它有利的設(shè)計方案在從屬權(quán)利要求中說明。
按本發(fā)明構(gòu)造的渦輪機包括至少一個徑向的或者對角線的渦輪機級，該渦輪機級具有一個徑向或者說對角線的入口和一個軸向的出口。軸向的出口也可以理解為這樣的出口，其中在從有關(guān)渦輪機級的葉輪中出來時的流動在流入后面的渦輪機級中前還具有對角線的流動方向，但在該對角線的流動方向中流動從流動通道轉(zhuǎn)向軸向方向。另外按本發(fā)明構(gòu)造的渦輪機包括至少一個軸向渦輪機級，該軸線渦輪機級具有一個軸向的入口和一個軸向的出口。
每個渦輪機級包括至少一個葉輪。通常一個渦輪機級包括一個導(dǎo)輪和一個在流動方向上后置于導(dǎo)輪的葉輪。
在本發(fā)明的框架中，入口方向和出口方向也可以與徑向或者說對角線的和軸向的方向偏離一個容差角度。但其中主要的流動方向還是要保持。
所述至少一個徑向的或者對角線的渦輪機級是作為渦輪機的第一級設(shè)置的，并且所述至少一個軸向渦輪機級在所述至少一個徑向的或者對角線的渦輪機級下游是作為渦輪機的其它級設(shè)置的。其中所述至少一個徑向的或者對角線的渦輪機級如此構(gòu)造，使得它比所述至少一個軸向渦輪機級具有更高的耐熱性。
按本發(fā)明的渦輪機優(yōu)選為高壓渦輪機，該高壓渦輪機在渦輪機裝置中直接設(shè)置在渦輪機裝置的燃燒室或者蒸汽發(fā)生器的下游。但按本發(fā)明構(gòu)造的渦輪機也可以是中壓渦輪機或者低壓渦輪機，其中在中壓渦輪機或者低壓渦輪機的上游常常會設(shè)置一個中間過熱器。在按本發(fā)明構(gòu)造的渦輪機下游還可以設(shè)置一個或多個其它的以常規(guī)方式構(gòu)造的渦輪機。
由于作為渦輪機的第一級構(gòu)造的徑向的或者對角線的渦輪機級比所述至少一個軸向渦輪機級具有更高的耐熱性，在渦輪機裝置額定工作狀態(tài)時渦輪機入口處的最大過程溫度可以比在軸向渦輪機級構(gòu)成入口渦輪機級的情況下的過程溫度更高。按本發(fā)明構(gòu)造的渦輪機的徑向或者對角線的渦輪機級可以實現(xiàn)高熱函量，結(jié)果是，徑向的或者對角線的渦輪機級的出口處的流體溫度明顯低于徑向的或者對角線的渦輪機級的入口處的流體溫度。因此只要借助一個徑向的或者對角線的渦輪機級就能將流體的溫度降低到這種程度，即在徑向的或者對角線的渦輪機級的下游不必采取措施以提高渦輪機部件的耐熱性，尤其葉片的耐熱性，以便保證不超過后面的渦輪機級部件的最大允許材料溫度。這種措施例如可以是使用高耐熱性材料制造有關(guān)部件或者借助于冷卻液來冷卻相應(yīng)渦輪機級的部件。通過設(shè)置徑向的或者對角線的渦輪機級作為渦輪機的第一級只需為徑向的或者對角線的渦輪機級采取一項或多項措施，以提高耐熱性。
如果與此相反渦輪機按傳統(tǒng)的設(shè)計方案只包括軸向渦輪機級，那么這里就要求有多個軸向渦輪機級，以便帶來相同的熱函量并由此實現(xiàn)相同的溫度降低，就如在只有一個徑向的或?qū)蔷€的渦輪機級時一樣。因此也要對多個軸向渦輪機級采取適當(dāng)?shù)拇胧?，以提高這個軸向渦輪機級的耐熱性，并由此防止超過最大允許材料溫度。因此只包括軸向渦輪機級的渦輪機在使用高耐熱性材料時生產(chǎn)成本要高很多。如果借助于冷卻液冷卻有關(guān)的部件，那么一方面要在部件中設(shè)置冷卻通道，另一方面渦輪機的效率由此會降低。
特別在蒸汽渦輪機中，第一渦輪機級構(gòu)造為徑向的或者對角線的渦輪機級出于以下原因也證明是有利的。不斷升高的過程壓力導(dǎo)致流體的體積流量小。但在體積流量小時，適宜于這種小的體積流量的徑向的或者對角線的渦輪機級的效率是可以與適宜于這種小體積流量的軸向渦輪機級的效率相比的。在總效率對比中，按本發(fā)明設(shè)計的渦輪機常常與只包括軸向渦輪機級的渦輪機一樣好，或者甚至更好。
在流體的入口溫度特別高時，也可以在渦輪機的入口處串聯(lián)兩個或者可能的話甚至更多的徑向的或者對角線的渦輪機級，這也是合適的。但多個徑向的或者對角線的渦輪機級又會導(dǎo)致生產(chǎn)成本提高。因此流動線路設(shè)計的成本也會變高，因此只有一個徑向的或者對角線的渦輪機級的解決方案是優(yōu)選的。原則上來說，在入口溫度很高時相對于對角線的渦輪機級更優(yōu)選使用徑向渦輪機級，因為徑向渦輪機級相對于對角線的渦輪機級來說還能實現(xiàn)更高的能量轉(zhuǎn)換。
尤其有利的是按本發(fā)明構(gòu)造的渦輪機包括正好一個徑向的或者對角線的渦輪機級以及至少一個軸向渦輪機級。
即使是在本發(fā)明的描述的框架下只將渦輪機級作為一個整體簡單地加以說明，主要也只有那些直接承受高溫流體的渦輪機級的部件受到流體的高溫影響。尤其是渦輪機級的葉片以及流動通道的側(cè)壁，也就是說輪轂和殼壁也常常受到影響。因此提高耐熱性的措施也主要應(yīng)該運用到渦輪機級的這些部件上。但是這里要注意，由于導(dǎo)熱性，那些沒有承受高溫流體的部件也可能達(dá)到很高的溫度，因此對這些部件也必須采取提高耐熱性的措施。
原則上本發(fā)明可以普遍應(yīng)用于渦輪機和渦輪機裝置。但是本發(fā)明尤其適合應(yīng)用于蒸汽渦輪機裝置的蒸汽渦輪機。蒸汽渦輪機裝置通常具有大尺寸，這樣一來在傳統(tǒng)的蒸汽渦輪機的實施方式中需要明顯更多高耐熱因此也就很昂貴的材料，因為多個軸向渦輪機級必須用這種材料生產(chǎn)。另一方面，過去的蒸汽渦輪機通常是這樣設(shè)計和運行的，即只出現(xiàn)相對來說較低的最大過程溫度，但同時流體的體積流量很大。由于體積流量大，采用徑向的或者對角線的渦輪機級或者徑向的或者對角線的渦輪機也就沒有意義了。只有通過將過程溫度和過程壓力的提高以及由此引起的體積流量的減小結(jié)合起來，在蒸汽渦輪機中使用徑向的或者對角線的渦輪機級才可能是有意義的，并且能提高總效率和/或者降低生產(chǎn)成本以及使蒸汽渦輪機裝置尺寸緊湊。
徑向的或者對角線的渦輪機級最好由第一種材料生產(chǎn)，并且所述至少一個軸向渦輪機級由第二種材料生產(chǎn)，這樣是合適的。第一種材料比第二種材料具有更高的耐熱性。這樣徑向的或者對角線的渦輪機級比如就可以用一種高耐熱的鎳基合金來生產(chǎn)，而所述至少一個軸向渦輪機級就可以比如用一種普通的廉價的鑄鋼或者耐熱性較低的鎳-鉻-鋼來生產(chǎn)。但是如上面已經(jīng)提出的那樣，這里要注意，不是渦輪機級的所有的部件都必須用高耐熱的材料來生產(chǎn)。因此只要那些直接承受高溫流體的部件用高耐熱的材料生產(chǎn)就足夠了，例如渦輪機級的葉片和軸。
在本發(fā)明的一種作為替代方案或者補充方案的改進(jìn)方案中，徑向的或者對角線的渦輪機級優(yōu)選設(shè)有一層高耐熱材料的涂層，例如鎳基合金。但是這里必須保證，設(shè)置在涂層下面的耐熱性較低的基材不會因為導(dǎo)熱性而變得過熱。必要時需要附加地借助于冷卻對該材料進(jìn)行冷卻。
作為替代方案或者補充方案，徑向的或者對角線的渦輪機級用一種陶瓷材料來生產(chǎn)或者具有一層用陶瓷材料制成的涂層是合適的。使用陶瓷材料的好處是，部件不僅具有更高的耐熱性，而且用陶瓷制成的或者具有陶瓷涂層的部件還能隔熱，由此例如通過葉片根部傳向軸上的熱量減少。
所述至少一個軸向渦輪機級可以用一種普通的沒有涂層的渦輪機材料來生產(chǎn)。
在本發(fā)明的一種作為替代方案或者補充方案的改進(jìn)方案中，將徑向的或者對角線的渦輪機級冷卻。所述至少一個軸向渦輪機級在這里優(yōu)選為不冷卻。
在本發(fā)明一種有利的改進(jìn)方案中，渦輪機的徑向的或者對角線的渦輪機級的級負(fù)荷這樣來選擇，即在渦輪機的額定工作狀態(tài)時，徑向的或者對角線的渦輪機級的入口處的流體具有高于軸向渦輪機級的材料的最大允許軟化溫度的溫度，并且在徑向的或者對角線的渦輪機級的出口處具有等于或低于軸向渦輪機級的材料的最大允許軟化溫度的溫度。反過來的意思是說，渦輪機裝置的最大過程溫度可以升高到一個最大值，在該最大值時上述條件正好能滿足。因此提高耐熱性的措施只限制于徑向的或者對角線的渦輪機級。
因此通過按本發(fā)明在渦輪機入口處設(shè)置一個或多個徑向的或者對角線的渦輪機級以成本低廉的方式大大提高渦輪機裝置的最大過程溫度。從經(jīng)濟角度來看，這里的可以實現(xiàn)的渦輪機裝置的效率的提高只在相對來說低廉的提高徑向的或者對角線的渦輪機級的耐熱性的措施的基礎(chǔ)上。
徑向的或者對角線的渦輪機級的平均出口直徑等于在徑向的或者對角線的渦輪機級后面的軸向渦輪機級的平均進(jìn)口直徑，這樣設(shè)計渦輪機是合適的。這樣一來在徑向的或者對角線的渦輪機級和軸向渦輪機級之間的流動通道就能構(gòu)造成直線形的。
在本發(fā)明的一種有利的設(shè)計方案中，所述徑向的或者對角線的渦輪機級和所述至少一個軸向渦輪機級設(shè)置在一個共同的軸上。但是將渦輪機級這樣設(shè)置在共同的軸上只有在渦輪機級可以普遍以相同的轉(zhuǎn)速運行時才可能。
在本發(fā)明的一種作為替代方案的實施方式中，所述徑向的或者對角線的渦輪機級設(shè)置在第一軸上，所述至少一個軸向渦輪機級設(shè)置在第二軸上，其中兩個軸通過傳動機構(gòu)、優(yōu)選通過行星齒輪傳動機構(gòu)相互連接在一起。雖然這樣設(shè)置兩個軸相比只設(shè)置一個軸成本要高；但是這樣可以實現(xiàn)渦輪機級的不同轉(zhuǎn)速。
此外所述徑向的或者對角線的渦輪機級和所述至少一個軸向渦輪機級優(yōu)選設(shè)置在一個共同的殼體里。
在另一方面，本發(fā)明提供了一種設(shè)計渦輪機的方法。按本發(fā)明的方法包括這些方法步驟，將至少一個軸向渦輪機級設(shè)置在徑向的或者對角線的渦輪機級下游，并且所述徑向的或者對角線的渦輪機級具有比所述至少一個軸向渦輪機級更高的耐熱性。按本發(fā)明的方法尤其適合設(shè)計上述的按本發(fā)明的渦輪機。
根據(jù)本方法的一種有利的改進(jìn)方案，渦輪機的徑向的或者對角線的渦輪機級的級負(fù)荷這樣來選擇，即在渦輪機的額定工作狀態(tài)時，徑向的或者對角線的渦輪機級的入口處的流體具有高于軸向渦輪機級的材料的最大允許軟化溫度的溫度，并且在徑向的或者對角線的渦輪機級的出口處具有等于或低于渦輪機的軸向渦輪機級的材料的最大允許軟化溫度的溫度。
在另一方面，本發(fā)明提供了一種運行渦輪機裝置的方法，其中渦輪機裝置包括一個蒸汽發(fā)生器和一個設(shè)置在該蒸汽發(fā)生器下游的按本發(fā)明構(gòu)造的渦輪機，并給燃燒室或者蒸汽發(fā)生器里的流體輸入熱量。這樣流體就被加熱到高于渦輪機的軸向渦輪機級的材料的最大允許軟化溫度的溫度。接著流體在渦輪機的徑向的或者對角線的渦輪機級里降壓，從而在徑向的或者對角線的渦輪機級的出口處的流體溫度等于或低于渦輪機的軸向渦輪機級的材料的最大允許軟化溫度。


以下借助附圖中示出的多種實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的解釋。其中圖1是現(xiàn)有技術(shù)中熟知的蒸汽渦輪機裝置的高壓渦輪機；圖2是按本發(fā)明的第一種實施方式的渦輪機；圖3是按本發(fā)明的第二種實施方式的渦輪機。
圖中只示出了對理解本發(fā)明重要的元件和部件。
所示出的實施例純粹是啟發(fā)性的，并且用于更好地進(jìn)行理解，但不應(yīng)該理解為對本發(fā)明的限制。
具體實施例方式
圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中熟知的蒸汽渦輪機裝置的構(gòu)造為高壓渦輪機的渦輪機10。這里的流體為水蒸汽。從蒸汽發(fā)生器(圖1中未示出)中出來的蒸汽通過新蒸汽接管31徑向輸入渦輪機10。在新蒸汽接管31的徑向流入?yún)^(qū)段中具有用于蒸汽流的整流和/或者產(chǎn)生預(yù)旋轉(zhuǎn)的第一導(dǎo)輪20LE。接著蒸汽流就在轉(zhuǎn)向區(qū)段(在流動箭頭36的區(qū)域內(nèi))從徑向流動方向(流動箭頭35的方向)轉(zhuǎn)向成軸向流動方向(流動箭頭37的方向)。在成功轉(zhuǎn)向成軸向流動方向后，蒸汽流才流過渦輪機10的第一渦輪機級的葉輪20LA以及連接在其上的設(shè)置在第一渦輪機級下游的其它軸向渦輪機級21-28。除了第一渦輪機級20(＝20LE+20LA)以外，所有的渦輪機級21-28都是純粹的軸向渦輪機級。第一渦輪機級20在這里是組合的徑向-軸向渦輪機級，其中導(dǎo)輪20LE設(shè)置在新蒸汽接管31的徑向流入?yún)^(qū)段中，葉輪20LA設(shè)置在構(gòu)造為高壓渦輪機的渦輪機10的軸向通流區(qū)段中。這樣能量轉(zhuǎn)換只在純粹的軸向通流區(qū)段中進(jìn)行。能量轉(zhuǎn)換的高度由于在軸向通流的葉輪里的最大可實現(xiàn)的流動轉(zhuǎn)向受到與在軸向渦輪機級里同樣尺度的限制。
如果輸入蒸汽渦輪機的蒸汽現(xiàn)在具有較高的或者很高的入口溫度，該溫度高于通常用于葉輪和導(dǎo)輪的葉片組的材料例如鑄鋼的允許軟化溫度，那么渦輪機的特定渦輪機級的至少構(gòu)成流動通道和/或者設(shè)置在流動通道里的部件必須或者由高耐熱性的材料制成，或者以適當(dāng)?shù)姆绞嚼鋮s，其中在這些特定渦輪機級的區(qū)域里蒸汽具有高于軟化溫度的溫度。在圖1中示出的實施例中涉及到的是前三個渦輪機級20、21和22。其中這前三個渦輪機級的葉片和流動通道的通道側(cè)壁都由高耐熱性的材料制成。用40標(biāo)出了高溫區(qū)域界限，在該高溫區(qū)域界線上游必須采取提高耐熱性的措施。這很多情況下，由于這一區(qū)域中的導(dǎo)熱性，軸也需用高耐熱性的材料制成。在渦輪機10的額定工作狀態(tài)下，蒸汽在第三渦輪機級22下游才具有比通常用于渦輪機部件的材料的軟化溫度低的溫度。通過使用高耐熱性材料制造前三個渦輪機級20、21和22使得這種蒸汽渦輪機的生產(chǎn)成本顯著提高。
現(xiàn)在開始說明本發(fā)明。圖2和圖3示出的是按本發(fā)明的構(gòu)造為蒸汽渦輪機的渦輪機100。在這兩種實施例中，示出的渦輪機都分別具有正好一個有著徑向入口(流動箭頭135的方向)和軸向出口(流動箭頭137的方向)的徑向渦輪機級120以及多個分別具有軸向入口和軸向出口的軸向渦輪機級121-125。構(gòu)造為渦輪機的第一級的徑向渦輪機級120直接與新蒸汽接管131的徑向走向的部分相連。在這兩種實施例中，軸向渦輪機級121-125都緊接在徑向渦輪機級120的下游設(shè)置。
為裝入很高溫度的蒸汽，在圖2和圖3中示出的徑向渦輪機級120中分別構(gòu)造得具有比軸向渦輪機級121-125更高的耐熱性。這可以例如通過以下方式來實現(xiàn)，即徑向渦輪機級120分別由高耐熱性的鎳基合金或者陶瓷材料制造，而與此相反，軸向渦輪機級121-125則分別例如由普通的鑄鋼或者鎳-鉻-鋼制造。作為使用高耐熱性的材料的替代方案或者補充方案，徑向渦輪機級120的葉片可以特別地或者涂上隔熱涂層，或者進(jìn)行冷卻。
在圖2和圖3中示出的徑向渦輪機級120基本上分別取代了圖1中示出的徑向-軸向渦輪機級20。但是在流過按圖2和圖3中的徑向渦輪機級120時，蒸汽流的溫度降低了這樣的程度，使得后面的軸向渦輪機級121-125可以用傳統(tǒng)的渦輪機材料制成。由于徑向的和對角線的渦輪機級120比軸向渦輪機級可以承受明顯更高的負(fù)荷并且實現(xiàn)明顯更高的熱函量，因此在這里示出的本發(fā)明的實施例中分別只需要一個徑向渦輪機級來將溫度充分降低到軸向渦輪機級121-125的材料的軟化溫度以下。而與此相反在圖1中示出的現(xiàn)有技術(shù)中熟知的設(shè)計中需要三個軸向渦輪機級20、21和22來充分降低溫度。因此在流體進(jìn)入渦輪機的相同的條件下，在按本發(fā)明設(shè)計的渦輪機中，如圖2和圖3所示，只有相應(yīng)的徑向渦輪機級120的部件具有高耐熱性。這樣所涉及到的部件就比在傳統(tǒng)設(shè)計的渦輪機中所涉及到的部件大大減少了。
因為為了實現(xiàn)高效率除了提高過程溫度以外也要提高過程壓力，所以相對來說進(jìn)入渦輪機的流體的體積流量較小。但在體積流量較小時，徑向的或者對角線的渦輪機級具有與軸向渦輪機級相類似的效率。因此圖2和圖3中示出的渦輪機可以與圖1中的渦輪機的總效率相比，而生產(chǎn)成本卻明顯要低，尺寸也要更緊湊。
下面借助圖2和圖3中示出的渦輪機100對按本發(fā)明的渦輪機的設(shè)計方法進(jìn)行說明。在兩種實施例中均以在蒸汽渦輪機裝置中使用的高壓渦輪機的典型的幾何邊界條件和其它邊界條件為出發(fā)點，也就是說以大約880毫米的軸直徑和50赫茲的渦輪機裝置額定轉(zhuǎn)速為出發(fā)點。設(shè)計徑向渦輪機級120的葉輪時使用現(xiàn)有技術(shù)中熟知的所謂的“Cordier-圖表”(例如參見Dubbel，“Taschenbuch für denMaschinenbau”，第18版，R22)，在該圖表中，用圖形方式為一級渦輪機給出了直徑-特征參數(shù)δM和比轉(zhuǎn)速σM之間的函數(shù)關(guān)系，其中δM＝|ψyM|1/4/|M|1/2和σM＝|M|1/2/|ψyM|3/4其中M＝cm/um和ψyM＝Δh/(um2/2)由此，渦輪機級的可接受的效率被保證在大約90％的等熵效率。
在兩種實施例中以此為出發(fā)點，即在渦輪機的額定工作狀態(tài)下，進(jìn)入渦輪機的入口處的入口壓力為300bar，蒸汽質(zhì)量通過量為大約400kg/s。這是現(xiàn)代蒸汽渦輪機的典型值。
如果渦輪機入口溫度為620℃，這是現(xiàn)代設(shè)計的超臨界蒸汽渦輪機的典型值，那么當(dāng)在從徑向渦輪機級中出來的出口上的出口溫度為565℃和更低時，在Cordier-圖表的輔助下會產(chǎn)生以下給出的值M＝0.30；ψyM＝6.50＝＞δM≈2.9；σM≈0.14在溫度為565℃和更低時，在徑向渦輪機級下游的部件不需要采取提高耐熱性的措施，因為這個溫度值低于一般用于制造軸向渦輪機級使用的材料的軟化溫度。
這樣設(shè)計的徑向渦輪機級120使蒸汽的壓力從進(jìn)入徑向渦輪機級的入口處的300bar降低到流出徑向渦輪機級的出口處的217bar，也就是說，壓力比例大約在1.4。在從徑向渦輪機級出來的出口處的溫度為大約560℃。徑向渦輪機級的轉(zhuǎn)速為50赫茲，平均直徑為DM≈1120毫米，在入口處的葉片寬度為23毫米，出口處為41毫米。
在徑向渦輪機級120下游設(shè)置的第一軸向渦輪機級121導(dǎo)輪就可以在假定的大約0.24的流量系數(shù)的情況下以典型的軸向入口和大約60毫米的葉片高度工作。第一軸向渦輪機級121的導(dǎo)輪為此具有與徑向渦輪機級120的葉輪的平均出口直徑相等的平均入口直徑。這樣就能在從徑向渦輪機級120到軸向渦輪機級121的過渡區(qū)域中實現(xiàn)直線形的流動通道。
正如在上面的實施例中說明的一樣，可以這樣設(shè)計徑向的或者對角線的渦輪機級，使得該渦輪機級在蒸汽渦輪機的典型的額定工作狀態(tài)下高效率地工作，在該額定工作狀態(tài)下，蒸汽渦輪機里裝有高的或者很高的入口溫度的蒸汽。這樣設(shè)計的渦輪機級在運行中能保證，設(shè)置在下游的軸向渦輪機級只承受普通的，大大降低的溫度負(fù)荷，即使是進(jìn)入徑向的或者對角線的渦輪機級的入口上的入口溫度明顯高于軸向渦輪機級的材料的允許軟化溫度。
另外在圖2中所示的實施例中，徑向渦輪機級120可以以與軸向渦輪機級121-125同樣的轉(zhuǎn)速運行。因此徑向渦輪機級120與軸向渦輪機級121-125如圖2所示可以設(shè)置在一個共同的軸130上。也可以使用連續(xù)的共同的殼體132。
在圖3中所示的實施例中，以進(jìn)入構(gòu)造為蒸汽渦輪機的渦輪機100的700℃的入口溫度為出發(fā)點。這是極端-超臨界渦輪機的典型值。從徑向渦輪機級120出來的出口處的溫度也要求為565℃或者更低。在Cordier-圖表的輔助下，從這一要求中得出以下參數(shù)M＝0.30；ψyM＝4.0＝＞δM≈2.6；σM≈0.19這樣設(shè)計的徑向渦輪機級120使蒸汽流動的壓力從進(jìn)入徑向渦輪機級的入口處的300bar降低到從徑向渦輪機級出來的出口處的145bar，也就是說，壓力比例大約在2.1。從徑向渦輪機級120出來的出口處的溫度為大約565℃。徑向渦輪機級120的轉(zhuǎn)速為100赫茲，平均直徑為DM≈1120毫米，在入口處的葉片寬度為13毫米，并且出口處為32毫米。
設(shè)置在徑向渦輪機級120下游的第一軸向渦輪機級121導(dǎo)輪就可以在假定的大約為0.22的流動系數(shù)下以典型的軸向入口和大約100毫米的葉片高度工作。第一軸向渦輪機級121的導(dǎo)輪具有與徑向渦輪機級120的葉輪的平均出口直徑相等的平均入口直徑。這樣就能在從徑向渦輪機級120到第一軸向渦輪機級121的過渡區(qū)域中實現(xiàn)直線形的流動通道。
但是軸向渦輪機級121-125的轉(zhuǎn)速在這里只為50赫茲，而徑向渦輪機級120的轉(zhuǎn)速為100赫茲。
這個實施例說明，即使是在進(jìn)入渦輪機的入口處的入口溫度很高的情況下，也可以從蒸汽渦輪機的典型額定工作狀態(tài)出發(fā)設(shè)置一個徑向的或者對角線的渦輪機級作為蒸汽渦輪機的入口級。這樣設(shè)計的以高效率工作的徑向渦輪機級120在運行中就能保證，設(shè)置在下游的軸向渦輪機級121-125只承受明顯很低的溫度負(fù)荷，即使是在進(jìn)入徑向渦輪機級120的入口處的入口溫度明顯高于軸向渦輪機級121-125的材料的允許軟化溫度。高溫區(qū)域界限140在這里在徑向渦輪機級120和第一軸向渦輪機級121之間延伸，在該高溫區(qū)域界線上游必須采取提高耐熱性的措施。
但是在本實施例中徑向渦輪機級120和軸向渦輪機級121-125是在不同的轉(zhuǎn)速下運行的，所以這里不能將徑向渦輪機級120和軸向渦輪機級121-125設(shè)置在共同的軸上。由于要求在徑向渦輪機級中實現(xiàn)高的溫度降或者說較高的熱函量，所以徑向渦輪機級120的轉(zhuǎn)速要高。只有當(dāng)徑向渦輪機級快速轉(zhuǎn)動，或者作為替代方案徑向渦輪機級具有很大的直徑，或者作為替代方案渦輪機級的葉片組受到很高的空氣動力學(xué)負(fù)荷時才能實現(xiàn)溫度大幅度下降或者說高熱函量。后兩種替代方案在這里是不合適的，因為直徑很大會制約葉片寬度變得很小，葉片受到的很高的空體動力學(xué)負(fù)荷會導(dǎo)致較低的級效率。
因此在這里合適的是使徑向渦輪機級120比軸向渦輪機級121-125轉(zhuǎn)動得更快。因此徑向渦輪機級120設(shè)置在一個分軸130-I上，軸向渦輪機級121-125設(shè)置在另一個分軸130-II上。這樣就能將包括徑向渦輪機級120的第一渦輪機區(qū)段和包括軸向渦輪機級121-125的第二渦輪機區(qū)段雖然是設(shè)置在分開的軸上，但是可以安置在一個共同的殼體132或者也可以安置在兩個分開的殼體里。
圖3中示出的兩個分軸130-I，130-II通過一個在圖3中未示出的傳動機構(gòu)相互連接。兩個軸也可以通過行星齒輪傳動機構(gòu)相互連接，其中例如上面設(shè)置了徑向渦輪機級120的分軸130-I在行星齒輪傳動機構(gòu)中包圍住上面設(shè)置了軸向渦輪機級121-125的分軸130-II。
圖2和圖3中示出的渦輪機100可以設(shè)置為蒸汽渦輪機裝置的高壓渦輪機，其中在新蒸汽接管131的上游設(shè)置有一個蒸汽發(fā)生器。
但圖2和圖3中示出的蒸汽渦輪機也可以設(shè)置為蒸汽渦輪機裝置的中壓渦輪機，其中在新蒸汽接管上游常常設(shè)置一個中間過熱器。
聯(lián)系圖2和圖3描述的渦輪機和渦輪機裝置以及所描述的方法展示的是本發(fā)明的示例性實施方式，這些實施方式完全可以由本領(lǐng)域的技術(shù)人員以多種方式毫不費力地修改，而不會由此偏離這一發(fā)明構(gòu)思。
附圖標(biāo)記列表10 渦輪機20LE 徑向渦輪機級的導(dǎo)輪20LA 徑向渦輪機級的葉輪21-28 軸向渦輪機級30 軸31 新蒸汽接管32 殼體35，36，37 流體的流動方向40 高溫區(qū)域界限100渦輪機120徑向的或者對角線的渦輪機級121-125軸向渦輪機級130共同的軸130-I，130-II 分軸131新蒸汽接管132殼體135，136，137 流體的流動方向140高溫區(qū)域界限
權(quán)利要求
1.渦輪機裝置的渦輪機(100)，尤其是蒸汽渦輪機裝置的蒸汽渦輪機，其具有至少一個帶有徑向的或者對角線的入口和軸向的出口的徑向的或者對角線的渦輪機級(120)以及至少一個帶有軸向的入口和軸向的出口的軸向渦輪機級(121-125)，其中每個渦輪機級包括至少一個葉輪，并且所述至少一個徑向的或者對角線的渦輪機級(120)設(shè)置為渦輪機的第一級，并且所述在徑向的或者對角線的渦輪機級(120)的下游的至少一個軸向渦輪機級(121-125)設(shè)置為渦輪機的其它級，其特征在于，所述至少一個徑向的或者對角線的渦輪機級(120)具有比所述至少一個軸向渦輪機級(121-125)更高的耐熱性。
2.按權(quán)利要求1所述的渦輪機，其中所述渦輪機包括正好一個徑向的或者對角線的渦輪機級(120)以及至少一個軸向渦輪機級(121-125)。
3.按上述權(quán)利要求中任一項所述的渦輪機，其中所述徑向的或者對角線的渦輪機級(120)由第一種材料制成，并且所述至少一個軸向渦輪機級(121-125)由第二種材料制成，其中第一種材料比第二種材料具有更高的耐熱性。
4.按上述權(quán)利要求中任一項所述的渦輪機，其中所述徑向的或者對角線的渦輪機級(120)涂有用耐熱性的材料制成的涂層。
5.按上述權(quán)利要求中任一項所述的渦輪機，其中所述徑向的或者對角線的渦輪機級(120)用高耐熱性的鎳基合金制成或者涂有用高耐熱性的鎳基合金制成的涂層。
6.按上述權(quán)利要求中任一項所述的渦輪機，其中所述徑向的或者對角線的渦輪機級(120)用陶瓷材料制成或者涂有用陶瓷材料制成的涂層。
7.按上述權(quán)利要求中任一項所述的渦輪機，其中所述至少一個軸向渦輪機級(121-125)用普通的渦輪機材料制成，沒有涂層。
8.按上述權(quán)利要求中任一項所述的渦輪機，其中將所述徑向的或者對角線的渦輪機級(120)冷卻，并且所述至少一個軸向渦輪機級(121-125)優(yōu)選不冷卻。
9.按上述權(quán)利要求中任一項所述的渦輪機，其中選擇所述渦輪機的徑向的或者對角線的渦輪機級(120)的級負(fù)荷，即在渦輪機(100)的額定工作狀態(tài)時，徑向的或者對角線的渦輪機級(120)的入口處的流體具有高于軸向渦輪機級的材料的最大允許軟化溫度的溫度，并且徑向的或者對角線的渦輪機級(120)的出口處的流體具有等于或低于軸向渦輪機級的材料的最大允許軟化溫度的溫度。
10.按上述權(quán)利要求中任一項所述的渦輪機，其中流體在徑向的或者對角線的渦輪機級的入口和徑向的或者對角線的渦輪機級的出口之間的溫度下降值至少為50℃，優(yōu)選為大于60℃，并且尤其為大于120℃。
11.按上述權(quán)利要求中任一項所述的渦輪機，其中所述徑向的或者對角線的渦輪機級的平均出口直徑與設(shè)置在徑向的或者對角線的渦輪機級后面的軸向渦輪機級的平均入口直徑相同。
12.按上述權(quán)利要求中任一項所述的渦輪機，其中所述徑向的或者對角線的渦輪機級(120)和所述至少一個軸向渦輪機級(121-125)設(shè)置在同一個軸(130)上。
13.按權(quán)利要求1至11中任一項所述的渦輪機，其中所述徑向的或者對角線的渦輪機級(120)設(shè)置在第一軸(130-I)上，所述至少一個軸向渦輪機級(121-125)設(shè)置在第二軸(130-II)上，并且所述軸通過傳動機構(gòu)、優(yōu)選通過行星齒輪傳動機構(gòu)相互連接起來。
14.按上述權(quán)利要求中任一項所述的渦輪機，其中所述徑向的或者對角線的渦輪機級(120)和所述至少一個軸向渦輪機級(121-125)設(shè)置在同一個殼體(132)里。
15.渦輪機裝置，尤其是蒸汽渦輪機裝置，其具有燃燒室或者蒸汽發(fā)生器和按上述權(quán)利要求中任一項所述的渦輪機，其中該渦輪機直接設(shè)置在燃燒室或者蒸汽發(fā)生器的下游。
16.用于設(shè)計渦輪機的方法，尤其是用于設(shè)計按權(quán)利要求1至14中任一項所述的渦輪機的方法，該方法包括，將至少一個軸向渦輪機級設(shè)置在徑向的或者對角線的渦輪機級下游，并且徑向的或者對角線的渦輪機級具有比所述至少一個軸向渦輪機級更高的耐熱性。
17.按權(quán)利要求16所述的方法，其中選擇所述渦輪機的徑向的或者對角線的渦輪機級的級負(fù)荷，即在渦輪機的額定工作狀態(tài)時，徑向的或者對角線的渦輪機級的入口處的流體具有高于軸向渦輪機級的材料的最大允許軟化溫度的溫度，并且在徑向的或者對角線的渦輪機級的出口處的流體具有等于或低于渦輪機的軸向渦輪機級的材料的最大允許軟化溫度的溫度。
18.按權(quán)利要求16或17所述的方法，其中選擇流體在徑向的或者對角線的渦輪機級的入口和徑向的或者對角線的渦輪機級的出口之間的溫度下降值，即該溫度下降值至少為50℃，優(yōu)選為大于60℃，尤其為大于120℃。
19.用于運行按權(quán)利要求15所述的渦輪機裝置的方法，其中給燃燒室或者蒸汽發(fā)生器中的流體輸入熱量，并且由此將流體加熱到高于渦輪機的軸向渦輪機級的材料的最大允許軟化溫度的溫度，接下來將在渦輪機的徑向的或者對角線的渦輪機級中的流體在輸出機械功的情況下如此進(jìn)行卸壓，使得流體在徑向的或者對角線的渦輪機級的出口處的溫度等于或小于渦輪機的軸向渦輪機級的材料的軟化溫度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種渦輪機裝置的渦輪機(100)，尤其是一種蒸汽渦輪機裝置的蒸汽渦輪機。該渦輪機包括至少一個帶有徑向的或者對角線的入口和軸向的出口的徑向的或者對角線的渦輪機級(120)和至少一個帶有軸向的入口和軸向的出口的軸向渦輪機級(121－125)。所述至少一個徑向的或者對角線的渦輪機級(120)構(gòu)成渦輪機(100)的第一級，并且所述至少一個軸向渦輪機級(121－125)作為其它的渦輪機級設(shè)置在徑向的或者對角線的渦輪機級(121)的下游。所述至少一個徑向的或者對角線的渦輪機級(120)比所述至少一個軸向渦輪機級(121－125)具有更高的耐熱性。按本發(fā)明的渦輪機(100)可以大大提高蒸汽渦輪機裝置的過程溫度，其中只需要為徑向的或者對角線的渦輪機級(120)的部件采取提高耐熱性的措施。
文檔編號F01D5/28GK101094971SQ200580045680
公開日2007年12月26日 申請日期2005年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月2日
發(fā)明者R·格雷姆, S·哈瓦克恰安 申請人:阿爾斯托姆科技有限公司