專利名稱：具有一個汽輪機和一個用于發(fā)電的工作機械的汽輪機發(fā)電機組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種汽輪機發(fā)電機組，其具有一個汽輪機單元和一個與之連接的用于發(fā)電的工作機械單元。
透平機組通常用于向頻率為50赫茲或60赫茲的電網(wǎng)饋電。在高的發(fā)電功率(大于等于約30MVA)時，比較經(jīng)濟的做法是，通過采用雙極發(fā)電機使汽輪機以3000或3600轉(zhuǎn)／分鐘的速度運行。對于較低的功率，汽輪機(視具體的發(fā)電功率)以大于3000-16000轉(zhuǎn)／分鐘的轉(zhuǎn)速運行則比較經(jīng)濟。在此，必需借助減速傳動裝置在高轉(zhuǎn)速汽輪機和以所期望的電流頻率轉(zhuǎn)動的發(fā)電機之間實現(xiàn)減速傳動。
這樣就產(chǎn)生了對軸承和減速傳動裝置進行潤滑和冷卻的特殊問題。
在減速傳動裝置中，不僅僅需要對減速傳動裝置的軸承進行特殊潤滑，尤其還必須對減速傳動齒輪相互嚙合而承受強大載荷的齒面細心地進行潤滑和冷卻。高轉(zhuǎn)速和負荷均要求選擇一種適合的冷卻和潤滑劑，而到目前為止只有油可供選擇。
傳統(tǒng)的汽輪機發(fā)電機組一般具有一個油循環(huán)回路，它主要要完成三項任務(wù)首先，油用作汽輪機和發(fā)電機的軸承的潤滑劑和冷卻劑。其次，汽輪機的調(diào)節(jié)閥需要借助油液壓調(diào)節(jié)缸來工作。最后，油要用于冷卻和潤滑減速傳動裝置。由此所產(chǎn)生的損耗熱量排放到油循環(huán)回路中，并排放到油／水換熱器中。為完成上述三項任務(wù)總體上需要相對較大的油量。其中，潤滑油控制用油減速傳動用油的比例約為1∶6∶2。
這樣大的油量可能會導致許多問題。例如在油循環(huán)回路發(fā)生漏泄時，要擔心漏泄油對環(huán)境造成污染。這要求采取一些預防措施，例如為油箱配備集油槽或砌磚防止漏泄。此外，漏泄油會真正增大著火的危險性。當漏泄油與汽輪機的溫度高達500℃的高溫構(gòu)件接觸時，被點燃的概率很大。作為另一種選擇可采用的難于點燃的液體大多卻有毒。為了防止油漏泄到汽輪機的排汽流中，尤其對軸流式汽輪機發(fā)電機組的汽輪機軸的軸承需要采取一些難度大且昂貴的措施。否則，蒸汽循環(huán)回路會被異類介質(zhì)污染并導致多種故障。
雖然通過放棄采用油液壓調(diào)節(jié)缸并轉(zhuǎn)換成采用另一種介質(zhì)(該介質(zhì)需要一個自己的循環(huán)回路)或另一種用于調(diào)節(jié)閥的驅(qū)動原理(例如直線驅(qū)動裝置，它在某些情況下同樣需要冷卻)能顯著減小油循環(huán)回路內(nèi)的油量。但這并不能避免汽輪機漏泄出的軸承油對排汽流造成污染或油漏泄到外界環(huán)境中去。為此，就象許多專利申請(例如EP 0 306 634，WO 94／01713和DE 19606088．5)所披露的那樣，必需采取一些高技術(shù)措施。通過磁性支承的軸(例如參見DE-PS 42 27 280或DE 31 46 354 C2)或通過其它具有永久磁性和／或超導元件(參見DE-A-44 44 587)的磁性軸承就能解決所述問題。然而這同樣意味著更多的費用和投入。對于減速傳動裝置還沒有公開可望行之有效的無需冷卻劑就能工作的替代方案。
本發(fā)明的目的在于，在一個具有一個汽輪機和一個工作機械的汽輪機發(fā)電機組中，避免因潤滑劑和／或冷卻劑所引起的所述困難。
本發(fā)明首先是基于控制或調(diào)節(jié)蒸汽輸入的閥所用的水液壓調(diào)節(jié)缸或其它無油工作的調(diào)節(jié)元件能避免因油引起的危險和困難。發(fā)電機或驅(qū)動機械單元中的機組(發(fā)電機，泵，壓縮機等)的無油支承也同樣能避免因油引起的危險和困難。按照本發(fā)明，尤其可采用直線發(fā)動機作為閥的調(diào)節(jié)驅(qū)動裝置。只要潤滑和冷卻所需水量以足夠的壓力饋入軸承中，水冷式軸承就能順當?shù)剡m用于工作機械單元。
此外，本發(fā)明還基于只有要在由汽輪機驅(qū)動的軸上減速或變速時，才需要一個減速傳動裝置。但是當汽輪機和工作機械能以同樣的轉(zhuǎn)速運行時，就可以取消減速傳動裝置，也不會再產(chǎn)生與冷卻減速傳動裝置相關(guān)的問題。為了保證將預定頻率的電流饋入電網(wǎng)中或饋給用戶，要通過一個與發(fā)電機連接的變頻器使發(fā)電機轉(zhuǎn)速(即高速旋轉(zhuǎn)汽輪機的轉(zhuǎn)速)與電流或電網(wǎng)的較低頻率適配。如果工作機械單元包含了泵，壓縮機或其它機器并且當這些相應(yīng)的機器設(shè)計成能以汽輪機的高速運轉(zhuǎn)，則同樣不再需要減速傳動裝置。此時，汽輪機單元的汽輪機和工作機械單元的發(fā)電機尤其能通過離合器或法蘭相互聯(lián)接起來。
最后本發(fā)明還基于在汽輪機單元中可采用水作為潤滑劑和冷卻劑，這樣因采用油所引起的著火危險和因油漏泄污染環(huán)境的危險從而能得以避免。在整個汽輪機發(fā)電機組中，因此實際上可放棄采用油等類似物。當軸承位于軸向汽流通路上，而且潤滑和冷卻用水是從汽輪機發(fā)電站的水循環(huán)回路中取出時，異類介質(zhì)也不會滲漏到汽輪機的排汽流中。
因此，本發(fā)明的目的是通過具有權(quán)利要求1所述特征的方法或具有權(quán)利要求4所述特征的汽輪機發(fā)電機組來實現(xiàn)的。本發(fā)明其它有利的改進設(shè)計由從屬權(quán)利要求給出。
按照本發(fā)明，一個汽輪機發(fā)電機組具有一個汽輪機單元和一個包括一發(fā)電機在內(nèi)的工作機械單元，其中，這些單元沒有減速傳動裝置地相互連接。由汽輪機驅(qū)動的軸部件和由發(fā)電機驅(qū)動的軸部件作為在這些單元之間區(qū)域內(nèi)的軸段例如通過一個法蘭盤直接相互聯(lián)接以構(gòu)成一根共同軸或構(gòu)成一根剛性軸(例如為一體軸)，此時在汽輪機和工作機械之間的兩個軸承可由一個軸承來替代。
為潤滑和冷卻汽輪機單元中的軸承，采用一個無油的循環(huán)回路，即一個水循環(huán)回路。即便為將軸支承在工作機械單元中，也只采用無油的軸承。在此，設(shè)置一個能產(chǎn)生具有所期望頻率的電流的發(fā)電機。為此，在該發(fā)電機之后連接一個變頻器。為了操縱汽輪機的調(diào)節(jié)閥，尤其可以采用一個直線驅(qū)動器或一個類似的在任何情況下都無油工作的驅(qū)動單元，并且尤其可結(jié)合一個電氣或電子控制裝置使用。
所述汽輪機單元可進行不同設(shè)計，例如它可包括一個或多個汽輪機，這些汽輪機具有向上或向下(通常沿側(cè)向)的蒸汽排汽口或沿軸向的排汽口。通常在水平放置汽輪機和發(fā)電機(以及例如還串聯(lián)有一燃氣輪機)時，需要一軸向排汽口。此時發(fā)電機連接在蒸汽流入側(cè)。
因此，在整個汽輪機發(fā)電機組內(nèi)的油或其它潤滑劑可用水來替代。汽輪機發(fā)電機組優(yōu)選只包括無油工作的部件，因為也可用其它介質(zhì)(例如空氣或水)來冷卻固定的部件(例如變頻器)。
為了冷卻和潤滑軸承，尤其設(shè)有一個(或多個)水循環(huán)回路，從該水循環(huán)回路中引出通向各軸承的水流通道。也可以將多個軸部件和／或軸承設(shè)置在汽輪機單元中，并用一共同的水循環(huán)回路來給它們供水。通過排水通道，作為冷卻和潤滑劑的水有利地從軸承回流到水循環(huán)回路中。利用該水循環(huán)回路能同時優(yōu)選地運行一發(fā)電機單元或另一工作機械單元的冷卻系統(tǒng)，并使蒸汽輸往汽輪機單元。這對于一個變頻器來說也同樣適用，只要設(shè)置了這樣一種變頻器，并且它也需要冷卻。只要用于操作汽輪機調(diào)節(jié)閥的直線驅(qū)動裝置也需要冷卻，也可由水循環(huán)回路來提供水。因而可由唯一一個水循環(huán)回路來承擔將汽輪機發(fā)電機組的所有損耗熱量排走的任務(wù)。傳給循環(huán)水的熱能優(yōu)選通過一個熱交換器來取走。該熱交換器通過一個開放的水循環(huán)回路來運行，但它也可以是一個風冷式熱交換器。
由于水具有相對較大的熱容量，各冷卻部件可設(shè)計得相對較小。此外還可以采用更小尺寸的部件，因為迄今為止所采用的控制用油，即控制用于汽輪機調(diào)節(jié)閥的液壓調(diào)節(jié)缸的油，以及減速傳動裝置所用油所占據(jù)的容積可以被節(jié)省下來。因此總體上也可減少循環(huán)介質(zhì)的用量。這不但對管道和冷卻器的尺寸，而且對泵系統(tǒng)驅(qū)動水循環(huán)回路所需的功率都會造成有利影響。在該水循環(huán)回路中，水損耗優(yōu)選用本身在發(fā)電站內(nèi)就配備有的備用水來補償，以便將蒸汽饋入所需用水導入在一相應(yīng)的循環(huán)回路中的汽輪機中。
由于潤滑和冷卻劑循環(huán)與汽輪機采用相同的介質(zhì)來運行，所需的循環(huán)水也可從發(fā)電站的蒸汽／水循環(huán)中吸取。比較有利的是同時配備有循環(huán)水。例如可能由軸承產(chǎn)生的磨損顆?；蚱渌s質(zhì)被濾出。
由于不但采用相同的介質(zhì)作為軸承所用冷卻和潤滑劑，而且還用于汽輪機產(chǎn)生蒸汽，這樣尤其在軸流式汽輪機中，可在汽輪機的排汽流中設(shè)置一個軸承，而不必擔心在軸封發(fā)生漏泄時有異類介質(zhì)污染蒸汽循環(huán)的危險。
下面借助附圖所示汽輪機發(fā)電機組的兩個實施例對本發(fā)明予以詳細說明，該汽輪機發(fā)電機組以水作為潤滑和冷卻劑而無油運行，附圖中

圖1示出一個以水作為潤滑和冷卻劑而無油運行的汽輪機發(fā)電機組，它帶有側(cè)向(即向下的)排汽口；圖2示出一個以水作為潤滑和冷卻劑而無油運行的汽輪機發(fā)電機組，它帶有軸向排汽口。
在圖1中，簡略地示出了一個汽輪機發(fā)電機組，該汽輪機發(fā)電機組用符號1來表示，它包含一個汽輪機單元2和作為其它工作機械單元的一個發(fā)電機單元3。所述單元2和3通過一根軸4相互連接。該軸由多個以相同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的軸部件(兩個軸段41，42)組成。軸段41穿過汽輪機單元2。在汽輪機20內(nèi)，其動葉片211安設(shè)在軸段41上，其中為視圖清晰起見，在附圖中只示出兩片動葉片。在動葉片211之間，在汽輪機20的透平機壁上還設(shè)有導向葉片212，其中為視圖清晰起見也同樣只示出兩片導向葉片。軸段42穿過發(fā)電機30，其上安設(shè)有發(fā)電機30的電樞31。發(fā)電機30的定子32沿圓周方向環(huán)繞電樞31并位于發(fā)電機30的殼體內(nèi)。軸4的兩個軸段41、42通過法蘭43相互連接。由發(fā)電機30產(chǎn)生的電流通過導線51傳輸給變頻器5，該變頻器5將發(fā)電機電流由軸4的轉(zhuǎn)速和極數(shù)確定的輸出頻率轉(zhuǎn)換成與待饋入電網(wǎng)的電網(wǎng)頻率相符合的頻率。發(fā)電電流在此通過導線52輸入電網(wǎng)中。
驅(qū)動汽輪機20的蒸汽通過蒸汽入口22輸入。通過調(diào)節(jié)閥221可調(diào)節(jié)蒸汽輸入，而調(diào)節(jié)閥221則通過一個或多個線性驅(qū)動器222和電氣調(diào)節(jié)器223來運行。
汽輪機蒸汽在本實施例中通過一個朝向下方的蒸汽出口23排出。這種在一側(cè)向下排出蒸汽相對于軸向排出蒸汽(參見圖2)有其優(yōu)點，亦即軸4在蒸汽排出裝置23內(nèi)不需要支承。
軸4用軸承6來支承。圖中所示為滑動軸承。作為軸承6的潤滑和冷卻劑的水由一個輸水管70和一個回水管71提供。水循環(huán)通過一個泵80保持工作。作為冷卻和潤滑劑的循環(huán)水通過從水循環(huán)管71引出的輸水通道72輸往軸承6。在軸承6處循環(huán)水作為冷卻和潤滑劑。在軸承6處因滑動摩擦產(chǎn)生的熱量被循環(huán)水帶走。循環(huán)水從軸承6處通過排水通道73輸入回水管71中。
比較有利的是，水循環(huán)(70、71)的循環(huán)水能承擔對汽輪機發(fā)電機組的其它部件的冷卻任務(wù)。在圖1所示實施例中，循環(huán)水同樣用于冷卻發(fā)電機30。循環(huán)水通過一個輸水通道74饋入發(fā)電機30的冷卻系統(tǒng)中，從此處又通過一個排水通道75輸入回水管71中。以這種同樣的方法，亦即通過一個輸水通道76將循環(huán)水輸入直線驅(qū)動器222，并通過一個排水通道77將其輸入回水管71中，就能實現(xiàn)有時候需要的對直線驅(qū)動器222的冷卻。以同樣有利的方式也可以對變頻器5進行冷卻。循環(huán)水通過一個輸水通道78輸入變頻器5的冷卻系統(tǒng)(圖中未示出)中，并通過一個排水通道79輸入回水管71中。
循環(huán)水(70、71)的冷卻借助一個傳熱器8通過將循環(huán)水的熱量傳遞給一個開放的換熱水循環(huán)81來實現(xiàn)。也可選擇通過一個風冷傳熱器9，或與上述方法相結(jié)合來冷卻循環(huán)水。
按照比較有利的方式，冷卻水可以從相應(yīng)發(fā)電廠(未示出)的水循環(huán)中提取，該水循環(huán)還為產(chǎn)生汽輪機用蒸汽提供水。這種方案的特別優(yōu)點在于，循環(huán)水在這樣的情形下與蒸汽循環(huán)用水一起制備好。
圖2所示實施形式是一個以水作為潤滑和冷卻劑而無油運行的汽輪機發(fā)電機組，其中蒸汽流為軸向排出。與圖1所示實施形式中相同的部件具有相同的附圖標記。尤其是汽輪機發(fā)電機組同樣采用附圖標記1。汽輪機單元2此處也通過一根軸4(亦即兩個軸段41、42)與發(fā)電機單元3相聯(lián)接。兩個軸段41、42通過一個法蘭43直接相互耦接。軸段42在發(fā)電機30內(nèi)承載有一個電樞31。與之相對毗鄰的是同樣包含在發(fā)電機30內(nèi)的定子32。發(fā)電機30產(chǎn)生的電流通過導線51輸入一個變頻器5，該變頻器5在改變電流的頻率后通過導線52將電流饋入一個電網(wǎng)中。在汽輪機20內(nèi)，軸段41具有動葉片211。在動葉片211之間的間隙內(nèi)，在汽輪機20的靜止部件上裝有導向葉片212。
與圖1所示實施例相反，汽輪機20在本實施例中具有一個將蒸汽軸向排出的排汽裝置23′。尤其在汽輪機與發(fā)電機平面安置時(例如發(fā)電機的一相線還與一個燃氣輪機相連接)需要這種軸向排汽。如圖2所示，發(fā)電機30與汽輪機20的蒸汽入口22一側(cè)相聯(lián)接。在排汽裝置23′上通常連接有一個冷凝器(圖中未示出)或一個背壓接管(圖中同樣未示出)。與向下或向側(cè)面排汽的汽輪機實施形式相反，軸向排汽的汽輪機要求軸承設(shè)置在蒸氣流中。這種布置可在圖2的右半部看出。一個圍繞軸4的軸承6位于排汽裝置23′內(nèi)。這種布置存在著軸承6的冷卻和潤滑劑流入蒸汽循環(huán)的顯著危險。但由于采用輸水管70中的循環(huán)水來潤滑和冷卻軸承6，蒸汽循環(huán)介質(zhì)被位于排汽裝置23′內(nèi)的軸承6所用的異類冷卻和潤滑劑污染的可能性實際上不存在。
循環(huán)水通過輸水通道72提供給軸承6。通過排水通道73，循環(huán)水可進入回水管71中。就象圖1所示實施形式那樣，比較有利的還有，通過一個輸水通道74和一個排水通道75向發(fā)電機30的冷卻系統(tǒng)33提供循環(huán)水。同樣比較有利的是，采用水循環(huán)(70／71)中的循環(huán)水來冷卻直線驅(qū)動器222(如果需要的話)和變頻器5(如果需要的話)。
當然，在上述兩個實施形式中，也可以用一根一體軸來替代圖示的兩段軸4。
權(quán)利要求
1．一種運行汽輪機發(fā)電機組(1)的方法，該汽輪機發(fā)電機組(1)具有一個汽輪機單元(2)和一個包含用于發(fā)電的一個發(fā)電機(30)在內(nèi)的工作機械單元(3)，其中蒸汽借助無油驅(qū)動的閥(221)輸入該汽輪機單元(2)，一根軸(4)的支承在汽輪機單元(2)中的一個軸承(6)上的軸段(41)借助一個汽輪機(20)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，該軸的相同旋轉(zhuǎn)運動借助一個無油地支承在工作機械單元(3)中的軸段(42)，且中間無減速傳動機構(gòu)地傳遞給發(fā)電機(30)，作為冷卻和潤滑劑的水提供給所述軸承(6)，來自所述發(fā)電機的電流通過一個電變頻器(5)被饋入一個具有額定電網(wǎng)頻率的用電電網(wǎng)(52)中。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其中所有轉(zhuǎn)動部件的軸承(6)都用一個水循環(huán)(70／71)中的水來潤滑和冷卻。
3．如權(quán)利要求2所述的方法，其中，從所述水循環(huán)中提取水來產(chǎn)生汽輪機用蒸汽。
4．一種汽輪機發(fā)電機組(1)，其具有一個汽輪機單元(2)和另一個工作機械單元(3)，其中，蒸汽通過調(diào)節(jié)閥(221)可輸入一個汽輪機(20)中，利用該蒸汽，汽輪機單元(2)中的一根具有一個支承在一軸承(6)上的軸段(41)的軸(4)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，并由該軸(4)可驅(qū)動工作機械單元(3)的一個發(fā)電機(30)，其中，設(shè)有一個將水作為潤滑和冷卻劑提供給軸承(6)的水循環(huán)(70／71)、發(fā)電機(30)的一個中間無減速傳動機構(gòu)直接由汽輪機(20)驅(qū)動的且無油支承的軸段(42)以及一些用于調(diào)節(jié)閥(221)的無油驅(qū)動器，在所述發(fā)電機(30)之后連接一個用于產(chǎn)生所需頻率的電流并將其饋入一用電電網(wǎng)中的變頻器(5)。
5．如權(quán)利要求4所述的汽輪機發(fā)電機組(1)，其中，所述軸(4)由汽輪機單元(2)的軸段(41)、工作機械單元的軸段(42)和這兩個軸段的一剛性聯(lián)軸器(43)構(gòu)成。
6．如權(quán)利要求4或5所述的汽輪機發(fā)電機組(1)，其中，所述包括汽輪機單元(2)的軸段(41)和工作機械(30)的軸段(42)在內(nèi)的軸(4)為一體件，且僅支承在軸承(5)上。
7．如權(quán)利要求4至6中任一項所述的汽輪機發(fā)電機組(1)，其中，所述汽輪機單元(2)具有一個軸向排汽口，且所述軸承(6)設(shè)置在該排汽口中。
8．如權(quán)利要求4至7中任一項所述的汽輪機發(fā)電機組(1)，其中，水作為潤滑和冷卻劑被供給工作機械單元(3)的至少一個用于被驅(qū)動軸段(42)的軸承。
9．如權(quán)利要求4至8中任一項所述的汽輪機發(fā)電機組(1)，其中，所述調(diào)節(jié)閥(221)具有無油的直線驅(qū)動器(222、223)。
10．如權(quán)利要求4至9中任一項所述的汽輪機發(fā)電機組(1)，其中，由一發(fā)電廠的一個水循環(huán)，尤其是一個為汽輪機單元(2)提供蒸汽的水循環(huán)向所述水循環(huán)(70／71)提供用水。
全文摘要
一種汽輪機發(fā)電機組,其具有一個汽輪機和一個用于發(fā)電的工作機械,該汽輪機發(fā)電機組具有一根公共的用于一個汽輪機(20)和一個帶有一個發(fā)電機(30)的工作機械的軸(4),在該發(fā)電機(30)之后連接有一個變頻器(5),通過該變頻器可向一用電電網(wǎng)提供預定頻率的電流。這根公共軸(4)的軸承(6)用水來冷卻和潤滑。由于缺少需要冷卻和潤滑的減速傳動機構(gòu),且蒸汽調(diào)節(jié)閥(221)也可被無油驅(qū)動,從而避免了被油污染的危險及油著火的危險。
文檔編號F01D25/00GK1280649SQ98811633
公開日2001年1月17日 申請日期1998年11月26日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月28日
發(fā)明者魯?shù)婪颉さ倮?申請人:西門子公司