專利名稱：汽輪機(jī)內(nèi)缸軸向位置控制系統(tǒng)的制作方法
一般地，本發(fā)明涉及汽輪機(jī)，更具體地，是涉及用于改善葉片密封的內(nèi)缸軸向位置控制系統(tǒng)。
汽輪機(jī)的主要部件包括一個其上裝有數(shù)列旋轉(zhuǎn)葉片的轉(zhuǎn)子和一個轉(zhuǎn)子在其中旋轉(zhuǎn)的靜止汽缸。靜止汽缸有數(shù)列向內(nèi)朝著轉(zhuǎn)子伸展的靜止葉片，而旋轉(zhuǎn)葉片向外朝著汽缸的內(nèi)徑方向伸展。在汽輪機(jī)靜止葉片和旋轉(zhuǎn)葉片頂部與汽缸和轉(zhuǎn)子相應(yīng)部分之間都設(shè)置有密封件。
由于汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子和靜止部件的熱膨脹有差異，并且其支撐點(diǎn)也不同，轉(zhuǎn)子會相對于汽缸和靜止葉片作軸向移動。其結(jié)果，使葉片密封件的數(shù)目和型式都受到影響，導(dǎo)致泄漏增加。此外，由于必須增加靜止部件和轉(zhuǎn)動部件之間的空間，因此汽輪機(jī)機(jī)組的長度要增加。這在對汽輪機(jī)的低壓機(jī)組部分進(jìn)行改型時是肯定的，因?yàn)橥ㄟ^增加級的數(shù)目(或葉片列數(shù))可以提高效率，而增大葉片通道間距的要求會侵占入口區(qū)的流通面積。這導(dǎo)致入口速度和流動分布損失都增加，從而使入口壓力降增加。
而且，由于上面提到的相對移動，在低壓機(jī)組部分的濕蒸汽區(qū)中的轉(zhuǎn)子葉片和靜止葉片之間的軸向距離在該機(jī)組部分的一半中是減小的，而在另一半中則是增大的。已經(jīng)觀察到，通過使流過靜止葉片后緣的大水滴破碎，某一級的旋轉(zhuǎn)葉片和靜止葉片之間的增加的軸向距離降低了水分侵蝕。在核動力汽輪機(jī)的三個低壓機(jī)組部分中的侵蝕的比較表明，每個雙流型低壓機(jī)組部分的一半中的侵蝕程度與另一半相比具有相當(dāng)大的差別。
較新設(shè)計(jì)的靜止葉片密封件通常局限于

圖1所示的直通流型，在這種型式中，所有密封件的直徑都一樣大，其配合面是圓柱形的。一般地，靜止葉片密封件用標(biāo)號20表示，旋轉(zhuǎn)葉片密封件的標(biāo)號則為22。旋轉(zhuǎn)葉片密封件20也是用的直通型的。在圖1所示的旋轉(zhuǎn)葉片密封件22的情況下，可以通過減小密封件之間的間距來增加密封件的數(shù)目，以便減少泄漏。但是，這也可能增大泄漏，因?yàn)樗鼫p小了離開密封件的動能耗散(消耗)(稱為動能零化因子)，從而增大了泄漏。此外，直通型密封件即使在大間距下也不能耗散全部動能，而階梯式的或交錯式的密封件則能完全消除動能。該參數(shù)的大小相關(guān)于密封件余隙與密封件間距的比。
如果密封件受到磨損，直通式密封件和交錯式或階梯式密封件都出現(xiàn)了泄漏面積的增加，從而增加了泄漏。但是，余隙與間距的比增加時，直通式密封件的泄漏則增加得更多。交錯式的密封件通過改變余隙空間的直徑而形成一個回旋形的泄漏通道，這可以通過將密封配合面作成階梯形(如圖2，3和4所示)，或者通過交錯地裝在旋轉(zhuǎn)部件和靜止部件上的楔入式密封件(如圖5所示)來實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，動能被完全耗散(湮滅)。因此，交錯式或階梯式密封件中泄漏的增加程度比直通式密封件要低。從而采用階梯式密封件的裝置其性能隨時間下降的程度就較小。圖2中的密封件稱為彈簧承載的迷宮式密封件，而圖3和圖4中示出的是用于大型汽輪機(jī)反動葉片(柵)的徑向密封件。圖5所示密封件簡單地稱為雙徑向迷宮式密封件。
圖6示出了一種較新的葉片通道，它在旋轉(zhuǎn)葉片上方有階梯式或交錯式密封件22，在靜止葉片下方有直通式密封件20。裝在旋轉(zhuǎn)葉片的低密封直徑上的階梯式密封件22必須設(shè)置在距離階梯部分足夠遠(yuǎn)的地方，以便當(dāng)轉(zhuǎn)子移向右邊時，它們不會接觸到階梯部分。這就減少了可以用于一定密封面長度上的階梯式密封件的數(shù)量。在圖6所示的型式中，在每個直徑區(qū)處或密封區(qū)處都有兩個直通式密封件。這是為了保證在轉(zhuǎn)子軸向地前后移動時在每個密封區(qū)處至少有一個密封件總是起作用的。
一定數(shù)目的階梯式密封件發(fā)生的泄漏少于較大數(shù)目的直通式密封件。但是，由于上述這種軸向移動，為減少泄漏的階梯式密封件的應(yīng)用以及增加階梯數(shù)都受到限制。
本發(fā)明的主要目的是提供一種汽輪機(jī)，其中設(shè)置了相當(dāng)大數(shù)目的緊密相間的密封件，這些密封件能用于不同的直徑區(qū)，具有良好的密封性，并且沒有由于相配部件的接觸而產(chǎn)生磨損的危險(xiǎn)。
為了實(shí)現(xiàn)該目的，本發(fā)明的汽輪機(jī)包含一個具有旋轉(zhuǎn)葉片的轉(zhuǎn)子和一個具有靜止葉片的支撐在一個外缸中的內(nèi)缸，其特征在于，內(nèi)缸由數(shù)個支撐件支撐在外缸中，這些支撐件可以允許內(nèi)缸在外缸內(nèi)作軸向移動，靜止葉片和旋轉(zhuǎn)葉片相互相對地處于某一預(yù)定的軸向位置上，設(shè)置了軸向驅(qū)動內(nèi)缸的機(jī)構(gòu)，用于補(bǔ)償轉(zhuǎn)子的軸向移動，由此將旋轉(zhuǎn)葉片和靜止葉片保持在預(yù)定的軸向位置上。
通過下面對在附圖的圖7至圖11中示出的一個優(yōu)選實(shí)施例的描述，本發(fā)明將會變得更加清楚。
圖1是汽輪機(jī)的一個機(jī)組部分的一部分的平面圖，它示出了旋轉(zhuǎn)葉片密封件和靜止葉片密封件的一種特有的型式;
圖2、3和4是部分剖的平面圖，它們示出了已知的密封件的其它一些型式;
圖5是表示另一種型式的已知密封件的剖視圖;
圖6是汽輪機(jī)的一個機(jī)組部分的一部分的平面圖，它示出了已知密封件的另一種型式，其中葉片上按其列數(shù)作了標(biāo)號;
圖7A是采用了本發(fā)明的位置控制系統(tǒng)的汽輪機(jī)機(jī)組部分的立視圖;
圖7B是一個用于防止圖7A所示汽輪機(jī)機(jī)組部分的內(nèi)缸作橫向移動的止動(定位)鍵的詳細(xì)視圖;
圖7C是一個用于圖7A的位置控制系統(tǒng)中的彎曲板的示意圖;
圖8是一個如在圖7A的位置控制系統(tǒng)中使用的設(shè)置在葉片頂部的位置傳感器的示意圖;
圖9是表示位置傳感器的電輸出作為葉片頂部相對于位置傳感器的位置的函數(shù)關(guān)系示意圖;
圖10A，10B和10C是表示位置傳感器的電輸出作為距該位置傳感器的一個極的距離的函數(shù)的示意圖;
圖11是包括電路系統(tǒng)的位置控制系統(tǒng)的示意圖，這些電路系統(tǒng)基于液壓驅(qū)動器的反饋使得對內(nèi)缸的調(diào)整更加容易。
生產(chǎn)核動力的設(shè)備中的汽輪機(jī)包含低壓機(jī)組部分、中壓機(jī)組部分和高壓機(jī)組部分。在本發(fā)明中，整個低壓機(jī)組部分在圖7A中由標(biāo)號30表示。低壓部分30包含一個外缸32(只示出其下半部分)和一個內(nèi)缸34。內(nèi)缸34由兩個對半殼體在其相對的端面上沿著一個水平的縱向布置的凸緣用螺栓固定在一起而構(gòu)成。外缸也是對開式的兩部分結(jié)構(gòu)，為了圖示的目的，移掉了其上半部分。
轉(zhuǎn)子36的軸頸支承在外缸中，以便繞汽輪機(jī)和轉(zhuǎn)子的軸心線旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子36上裝有數(shù)列旋轉(zhuǎn)葉片38，內(nèi)缸上也裝有數(shù)列靜止葉片，旋轉(zhuǎn)葉片和靜止葉片的列數(shù)按常規(guī)方式改變。
汽輪機(jī)該機(jī)組部分的其它特征是已知的，例如低壓蒸汽入口40，橫向定位鍵42和44，當(dāng)外缸的上半部分32A組裝后，這些鍵可以防止內(nèi)缸34的橫向移動(參見圖7B)。
彎曲板46，48，50和52為在外缸32內(nèi)支撐內(nèi)缸34提供了可移動的支撐件，內(nèi)缸上的靜止葉片和轉(zhuǎn)子上的旋轉(zhuǎn)葉片相互之間各處于一個預(yù)定的軸向位置上。
在雙流型的汽輪機(jī)機(jī)組部分30中，靜止葉片所處的位置與其相配的旋轉(zhuǎn)部件的距離都相等。通過軸向移動內(nèi)缸，并且在雙流型機(jī)組部分的每個半殼中的特定旋轉(zhuǎn)葉片相對于內(nèi)缸或葉環(huán)上的傳感器的位置來維持上述靜止葉片的位置。當(dāng)傳感器檢測到有一軸向位置位移時，他們可向一個液壓驅(qū)動機(jī)構(gòu)發(fā)送一個信號。該液壓驅(qū)動機(jī)構(gòu)在后面將作較詳細(xì)的描述。
內(nèi)缸34安裝在彎曲板46，48，50和52上，這些彎曲板距蒸汽入口40是軸向等距的，距轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線是橫向等距的。橫向定位鍵42和44允許內(nèi)缸作軸向移動，但限制橫向或側(cè)面移動，同時允許內(nèi)缸作軸向和橫向的膨脹。內(nèi)缸在外缸上的支撐件可以用任何低摩擦部件，例如滑動板，滾動件等，但最好還是采用彎曲板。每個彎曲板的主(長)軸位于橫向方向，而短軸位于軸向方向。來自活塞驅(qū)動機(jī)構(gòu)的非平衡力使彎曲板軸向彎曲，以使內(nèi)缸34移動。如果這些彎曲板是兩英尺高，由于彎曲板的軸向彎曲，內(nèi)缸殼體的高度變化在軸向位移為0.75英吋時將是最小的。0.75英吋的位移量是本發(fā)明的位移的典型數(shù)值。雖然并不打算使彎曲板的彎曲覆蓋很長的距離，在圖7B中示出了彎曲板的彎曲的示意圖，用于表示彎曲板的功能。
因?yàn)槟軌蚴箖?nèi)缸中心地相對轉(zhuǎn)子進(jìn)行定位，因此可以在靜止葉片下面使用階梯式密封件，并且可以將更多的階梯和密封件設(shè)置在旋轉(zhuǎn)葉片上。因?yàn)橹挥袠O小的相對移動，可以減小圖6中的1R和1C列以及1R和2C列之間的間距，從而設(shè)計(jì)人員可以減小總長度，或者增加1C列前入口區(qū)域的面積或者，如果需要的話，在不影響入口區(qū)面積的情況下可再加上一個附加級。
為了沿另一個軸向方向驅(qū)動內(nèi)缸34，在轉(zhuǎn)子36的相對的兩側(cè)設(shè)置了驅(qū)動機(jī)構(gòu)。每個驅(qū)動機(jī)構(gòu)包含一個液壓馬達(dá)54和56，每個液壓馬達(dá)可以有一對液壓油缸58和60，用于驅(qū)動相應(yīng)的托架62和64，這些托架固定在內(nèi)缸34的凸緣部分上，位于轉(zhuǎn)子36相對的兩側(cè)，并近似位于汽輪機(jī)低壓機(jī)組部分的橫向中心線上。
為了有效地跟蹤轉(zhuǎn)子36的熱移動，必須通過持續(xù)地反饋在轉(zhuǎn)子和機(jī)殼上某點(diǎn)的相關(guān)位置信號來控制驅(qū)動內(nèi)缸34的液壓活塞或液壓馬達(dá)58，60。相對運(yùn)動的那些點(diǎn)最好是在L-O列葉片頂部的后緣和安裝在內(nèi)缸中的與其相鄰的葉片振動傳感器處。參見圖8，該圖示出了在某一位置下面或在振動傳感器68下面葉片66的通道。傳感器有一個外殼70，一個磁鐵72和一個線圈74。在傳感器68的端部和葉片頂部之間形成一間隙76。傳感器裝置68至少包括四個位置傳感器，其中兩個裝在機(jī)組部分30的兩個相對的軸向端部，另兩個設(shè)置在內(nèi)缸34的相對的兩側(cè)。位于端部的位置傳感器68靠近轉(zhuǎn)子葉片最外一列的葉片頂部并且與最外一列旋轉(zhuǎn)葉片的后緣對齊。傳感器68可以按已知技術(shù)裝在內(nèi)缸中，因此不必作進(jìn)一步的描述。
當(dāng)葉片從傳感器68下面通過時，會產(chǎn)生一個響應(yīng)磁阻變化的感應(yīng)電壓。磁阻與葉片頂部在磁鐵72的小磁極(直徑大約為3.175mm)下面通過期間的距離相關(guān)聯(lián)。圖9中所示的一個特征電壓信號是響應(yīng)通過傳感器68中的線圈74的磁通變化率而產(chǎn)生的。信號的幅值與傳感器到葉片頂部的距離有密切的相關(guān)關(guān)系。當(dāng)轉(zhuǎn)子相對于傳感器軸向移動時，會有一點(diǎn)處使葉片頂部沒有任何部分處于傳感器的下面。在該點(diǎn)處，傳感器的信號開始急劇下降。當(dāng)傳感器68中的磁極在L-O列葉片頂部的后緣之外幾分之一英吋時，傳感器信號的幅值典型地下降一個數(shù)量級，如圖10A-10C所示。信號下降的精確值取決于傳感器和葉片頂部到傳感器的距離之間的間隙公稱尺寸。位置傳感器68的電輸出按照葉片頂部到傳感器的距離之間的一個函數(shù)關(guān)系進(jìn)行變化，當(dāng)最外一列葉片的后緣直接與振動傳感器的一個磁極對齊時則出現(xiàn)一個峰值電壓。
在小的軸向作用范圍中的葉片振動傳感器信號的大小是內(nèi)缸內(nèi)的轉(zhuǎn)子位置的準(zhǔn)確度量措施。稱為峰值探測電路的電路78產(chǎn)生一個與葉片振動信號峰值成比例的直流信號。因此，由傳感器68產(chǎn)生的交流信號被轉(zhuǎn)變成直流信號，記為V1。比較電路80將參照電壓V2與位置信號V1進(jìn)行比較，比較的結(jié)果產(chǎn)生一個控制信號，將該控制信號輸送到一個控制液壓馬達(dá)的驅(qū)動器閥的液壓驅(qū)動器電路82中。如果直流信號超過了表示一個長轉(zhuǎn)子的預(yù)定參照電壓值，那么正的誤差信號使液壓驅(qū)動器或液壓馬達(dá)電路移動液壓活塞，并向左移動外殼直到誤差信號減小至零為止。同樣，如果直流信號降低到表示一個短轉(zhuǎn)子的預(yù)定值之下，那么負(fù)的誤差信號使液壓驅(qū)動器電路或液壓馬達(dá)電路移動液壓活塞，將內(nèi)缸34向右移動，直到誤差信號再次回到零為止。
傳感器的溫度會在很小的程度上影響傳感器輸出信號。這與傳感器中永久磁鐵強(qiáng)度的衰減以及傳感器和葉片頂部之間的間隙因熱引起的變化有關(guān)。因此，如果采用一個輔助的傳感器，那么可以進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)子位置測量的精確度。因此在稍靠上流處設(shè)置一個輔助傳感器，并且與主傳感器有相等的間隙。輔助傳感器產(chǎn)生一個參考信號，用于修正主傳感器的輸出信號，以便補(bǔ)償磁強(qiáng)和間隙的變化。例如，磁強(qiáng)和間隙的變化導(dǎo)致輔助傳感器的信號下降2%，那么在主傳感器附近的一個電路會使來自主傳感器的信號在它與如上所述那樣與參照信號比較之前將被增大2%。這樣就消除了磁強(qiáng)和間隙等變化對主傳感器的影響。
權(quán)利要求
1.一種汽輪機(jī)，包含一個具有旋轉(zhuǎn)葉片(38)的轉(zhuǎn)子(36)，和一個具有靜止葉片的內(nèi)缸(34)，內(nèi)缸(34)支撐在一個外缸(32)中，其特征在于，內(nèi)缸(34)由數(shù)個支撐件(46，48，50，52)支撐在外缸(32)中，這些支撐件可以允許內(nèi)缸(34)在外缸內(nèi)作軸向移動，而靜止葉片和旋轉(zhuǎn)葉片相互相對地處于其預(yù)定的位置上，設(shè)置了軸向驅(qū)動內(nèi)缸(34)的機(jī)構(gòu)(58)，用于補(bǔ)償轉(zhuǎn)子(36)的軸向移動，從而使旋轉(zhuǎn)葉片和靜止葉片保持在其預(yù)定的軸向位置上。
2.按照權(quán)利要求1的汽輪機(jī)，進(jìn)一步包含設(shè)置在內(nèi)缸(34)中的用于探測轉(zhuǎn)子(36)軸向位移的傳感器裝置(68)，驅(qū)動部件(58)可響應(yīng)傳感器裝置(68)而工作。
3.按照權(quán)利要求1或2的汽輪機(jī)，其特征在于，所述數(shù)個支撐件包含四個彎曲板件(46，48，50，52)，它們離內(nèi)缸(34)的蒸汽入口(40)具有相等的軸向距離，并且離轉(zhuǎn)子(36)的旋轉(zhuǎn)軸線具有相等的橫向距離。
4.按照權(quán)利要求2的汽輪機(jī)，其特征在于，傳感器裝置(68)包括至少四個位置傳感器(68)，其中兩個傳感器設(shè)置在汽輪機(jī)機(jī)組部分(30)的相對的兩個軸向端部，另兩個設(shè)置在內(nèi)缸(34)的相對的兩側(cè)。
5.按照權(quán)利要求4的汽輪機(jī)，其特征在于，驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括第一和第二馬達(dá)(54，56)，它們圍繞著汽輪機(jī)機(jī)組部分(30)的一個橫向中心線連接在內(nèi)缸(34)的相對的兩側(cè)上，位于汽輪機(jī)每一側(cè)的兩個傳感器(68)可以向同一側(cè)的馬達(dá)發(fā)送控制信號。
6.按照權(quán)利要求5的汽輪機(jī)，其特征在于，第一和第二托架(62，64)連接在內(nèi)缸(34)的相對的兩側(cè)，并且分別與第一和第二馬達(dá)(54，56)相連。
7.按照權(quán)利要求5或6的汽輪機(jī)，其特征在于，第一和第二馬達(dá)(54，56)均為液壓馬達(dá)。
8.按照權(quán)利要求4至7中之一的汽輪機(jī)，其特征在于，位于端部的兩個位置傳感器(68)設(shè)置在靠近轉(zhuǎn)子葉片最外一列的葉片頂部的地方，并且與最外一列的旋轉(zhuǎn)葉片的后緣對齊。
9.按照權(quán)利要求4至8中之一的汽輪機(jī)，其特征在于，每個位置傳感器(68)都是具有電輸出的振動傳感器，該電輸出按照葉片頂部到傳感器的距離的一個函數(shù)關(guān)系進(jìn)行變化，當(dāng)最外一列葉片的后緣直接與振動傳感器的一個磁極對齊時則出現(xiàn)一個峰值電壓。
10.按照權(quán)利要求9的汽輪機(jī)，其特征在于，設(shè)有一個接收振動傳感器(68)的電輸出并產(chǎn)生直流位置信號的峰值探測電路(78)，一個將該直流位置信號與貯存的參照信號進(jìn)行比較的比較電路(80)，和一個依據(jù)參照信號與直接位置信號之間的差值用于控制驅(qū)動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動閥，由此移動內(nèi)缸(34)的液壓驅(qū)動電路(82)。
全文摘要
一種汽輪機(jī)，其內(nèi)缸(34)可軸向移動地支撐在其外缸(34)中，其相對位置這樣來控制，使得其轉(zhuǎn)子上的葉片和內(nèi)缸上的靜止葉片保持在相互相對的預(yù)定軸向位置上。探測轉(zhuǎn)子在內(nèi)缸中的位移的傳感器向馬達(dá)提供控制信號，該馬達(dá)在軸向上驅(qū)動內(nèi)缸，以相應(yīng)于轉(zhuǎn)子的位移而調(diào)整內(nèi)缸的位置。
文檔編號F01D11/08GK1051961SQ9010926
公開日1991年6月5日 申請日期1990年11月19日 優(yōu)先權(quán)日1989年11月22日
發(fā)明者喬治·J·斯里沃斯特雷, 阿歷文·L·斯多克, 米歇爾·特爾多立伯 申請人:西屋電氣公司