專利名稱：具有內(nèi)殼和外殼的透平機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種透平機(jī)，尤其是汽輪機(jī)，它具有相互間隔的內(nèi)殼與外殼，因此在內(nèi)殼與外殼之間形成間隙。
從德國(guó)專利申請(qǐng)DE 35 22 916 A1可知，在透平機(jī)，尤其是汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)，內(nèi)殼、外殼以及渦輪轉(zhuǎn)子可能因?yàn)樽饔闷渖系臏囟炔煌煌潭鹊刈冮L(zhǎng)。因此，實(shí)踐中通常采用內(nèi)外殼與轉(zhuǎn)子之間的平移方式來(lái)補(bǔ)償其沿軸向加長(zhǎng)后的區(qū)別。由于作用在內(nèi)殼與外殼上的溫度也不相同，就可能在內(nèi)殼與外殼之間產(chǎn)生溫度級(jí)差，從而可能導(dǎo)致透平機(jī)在運(yùn)行或冷卻過(guò)程中不同程度地變形。
英國(guó)專利文獻(xiàn)740 944涉及一種熱力透平機(jī)，尤其是汽輪機(jī)，它包括一個(gè)與外殼有一間隙的內(nèi)殼。透平機(jī)由一種驅(qū)動(dòng)介質(zhì)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)介質(zhì)的一部分分流流過(guò)內(nèi)外殼之間的間隙。在透平機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，這部分驅(qū)動(dòng)介質(zhì)作為外殼的冷卻介質(zhì)，因此熱的內(nèi)殼與冷的外殼熱力分離。在外殼內(nèi)側(cè)固定有一些散熱片，用于改善外殼的傳熱。
美國(guó)專利5 388 960涉及一種剛運(yùn)行結(jié)束的高溫狀態(tài)下汽輪機(jī)的強(qiáng)制空氣冷卻裝置，該裝置用于安全防范并使汽輪機(jī)迅速冷卻。
美國(guó)專利3 746 463涉及一種具有內(nèi)外殼的多級(jí)軸流式汽輪機(jī)，其內(nèi)殼在外殼中的安裝方式限制了內(nèi)殼與外殼之間的軸向相對(duì)移動(dòng)，但徑向的相對(duì)移動(dòng)不受限制，這些移動(dòng)是溫差導(dǎo)致的。內(nèi)殼因此靠大量的鍵和鍵槽、安裝銷(xiāo)及軸向?qū)χ械慕宇^安裝在外殼中，由此形成內(nèi)殼中相對(duì)于外殼呈軸向的蓄槽及凹槽，因而內(nèi)殼得以相對(duì)于外殼自由徑向移動(dòng)。
本發(fā)明的目的在于提供一種透平機(jī)，其外殼的熱變形比臨界值小。
基于上述目的及其它所期望的目的，依據(jù)本發(fā)明的透平機(jī)，尤其是汽輪機(jī)，具有主軸、內(nèi)殼和外殼、頂部和底部，其外殼包圍內(nèi)殼并形成徑向間隙，此間隙在底部有一狹窄部，此汽輪機(jī)還包括一將外殼安裝于內(nèi)殼上的安裝部以及沿主軸延伸的葉片柵區(qū)，所述間隙由此除安裝部以外沿主軸延伸并與葉片柵區(qū)至少軸向部分重疊。
本發(fā)明依據(jù)的物理效應(yīng)是，透平機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)內(nèi)殼與外殼的溫度不同，由于這一溫差，內(nèi)外殼之間的間隙中的蒸汽類(lèi)氣體介質(zhì)產(chǎn)生由透平機(jī)的底部朝向頂部的熱對(duì)流運(yùn)動(dòng)(溫差驅(qū)動(dòng)的氣體流動(dòng))，由此可能造成外殼的溫度差別，使頂部的溫度高于底部。透平機(jī)關(guān)機(jī)后外殼上的這一溫差可能導(dǎo)致從頂部到底部的縱向彎曲。這在某些嚴(yán)格條件下可能導(dǎo)致內(nèi)殼的徑向移位以及內(nèi)殼上轉(zhuǎn)子的動(dòng)葉片的磨損。
內(nèi)殼與外殼之間的間隙在底部形成狹窄區(qū)，使熱能從內(nèi)殼更有效地傳導(dǎo)至外殼，并提高熱對(duì)流效率，尤其是頂部渦旋對(duì)流的效率。由此外殼溫度沿其高度形成超線性溫度曲線圖。即，外殼的溫度變化曲線在底部的溫度梯度(每單位長(zhǎng)度溫度的變化ΔT/ΔH)大于1。外殼上的熱應(yīng)力因此得以減弱，外殼沿主軸彎曲的機(jī)會(huì)也就減少了。依據(jù)本發(fā)明的另一特點(diǎn)，在所述間隙內(nèi)，內(nèi)殼朝外殼伸展，使得內(nèi)殼與外殼之間的間隙沿主軸方向變窄。本發(fā)明還適用于一種透平機(jī)，特別是汽輪機(jī)，它具有一個(gè)替代內(nèi)殼或附加在內(nèi)殼上的導(dǎo)向葉片支座。
依據(jù)本發(fā)明的又一特點(diǎn)，熱接觸用附加塊與內(nèi)殼傳熱連接并設(shè)置在底部。構(gòu)成附加塊的材料可與內(nèi)殼相同，附加塊可以是內(nèi)殼的一部分，特意與內(nèi)殼鑄成一體，或與內(nèi)殼焊接成一體，或以適當(dāng)?shù)姆绞焦潭ㄔ趦?nèi)殼上。
依據(jù)本發(fā)明的再一特點(diǎn)，附加塊或內(nèi)殼的附加部分的橫斷面可以大致呈三角形、長(zhǎng)方形，或者其它適合內(nèi)外殼的特殊幾何形狀以及透平機(jī)運(yùn)行的物理參數(shù)的形狀。
附加塊或內(nèi)殼的附加部分最好沿主軸定向并在內(nèi)殼上形成一處拱肋或凸棱。
依據(jù)本發(fā)明的再一特點(diǎn)，頂部有一平衡塊特意與內(nèi)殼相連。平衡塊平衡內(nèi)殼的質(zhì)量，使其質(zhì)量中心線與透平機(jī)的主軸相重合。平衡塊的形狀可以與附加塊相同以使內(nèi)殼對(duì)稱。平衡塊最好也沿主軸定向。
外殼在底部向內(nèi)殼擴(kuò)展，使內(nèi)外殼之間的間隙變窄，這在原理上也是可行的。
透平機(jī)最好是高壓汽輪機(jī)或中壓汽輪機(jī)。
依據(jù)本發(fā)明的再一特點(diǎn)，構(gòu)成內(nèi)殼的兩塊部件沿水平面相互分開(kāi)，每塊內(nèi)殼部件具有最好呈水平徑向向外的翼緣，并通過(guò)這些翼緣固定在一起。通常用螺栓和螺母之類(lèi)的零件將翼緣固定在一起。這些翼緣也可以在頂部與底部之間的水平面上減小內(nèi)外殼之間的間隙。這樣可以限制從底部到頂部的蒸汽對(duì)流，反之亦然。在此情況下底部的間隙變窄，由于狹窄部是最可取的，結(jié)果改善了內(nèi)殼與外殼之間的熱傳導(dǎo)，底部外殼的溫度得以提升。
盡管本發(fā)明在這里描述的是汽輪機(jī)實(shí)施例，但并非因此就僅限于所舉的例子。只要不背離本發(fā)明的精神并在權(quán)利要求書(shū)的相應(yīng)范疇之內(nèi)，就可以進(jìn)行各種改動(dòng)和改裝。本發(fā)明可應(yīng)用于各種具有內(nèi)殼與外殼的透平機(jī)，比如汽輪機(jī)和燃?xì)馔钙揭约爸T如此類(lèi)的透平機(jī)。
不過(guò)，結(jié)合附圖參考下述的實(shí)施例，可以更加透徹地理解本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、目的及優(yōu)點(diǎn)。
附圖中對(duì)理解本發(fā)明有幫助的透平機(jī)零件有詳細(xì)的描述，那些常用的透平機(jī)零件就不再詳述。
附圖中有的是簡(jiǎn)圖，有的不成比例，附圖中

圖1為一汽輪機(jī)沿主軸的斷面圖，圖2為汽輪機(jī)外殼的溫度沿其高度變化的不同溫度特性曲線，圖3是由于圖2所示溫度梯度導(dǎo)致的沿主軸的熱變形圖，圖4和圖5是圖1所示汽輪機(jī)的橫斷面圖。
下面詳述各圖。圖1是高壓汽輪機(jī)1沿主軸2的斷面圖。汽輪機(jī)1的構(gòu)成為裝有動(dòng)葉片17的渦輪轉(zhuǎn)子15，裝有導(dǎo)向葉片18的內(nèi)殼3沿軸向環(huán)繞渦輪轉(zhuǎn)子15，動(dòng)葉片17和導(dǎo)向葉片18被排列布置成一個(gè)葉片柵區(qū)24，它沿主軸2伸展，外殼4包圍內(nèi)殼3。汽輪機(jī)1運(yùn)行過(guò)程中，中間被加壓的蒸汽從進(jìn)汽區(qū)13流向排汽區(qū)14，導(dǎo)向葉片18與動(dòng)葉片17設(shè)置在該進(jìn)汽區(qū)13與排汽區(qū)14之間。外殼4在靠近進(jìn)汽區(qū)及排汽區(qū)的安裝部20處安裝在內(nèi)殼3上。內(nèi)殼3由兩部分3A,3B組成，3A位于汽輪機(jī)1的頂部5而3B位于底部6。內(nèi)殼3與外殼4之間是徑向間隙7，其具有呈環(huán)形的橫斷面并沿主軸2延伸。間隙7在底部6沿主軸2變窄(參見(jiàn)圖4、圖5，狹窄區(qū)8)，并在外側(cè)至少部分與葉片柵區(qū)24沿軸向重疊，尤其是與安裝部20之間的葉片柵區(qū)24沿軸向重疊。
圖2所示為外殼4的溫度沿其高度變化的不同溫度曲線21、22、23。外殼4的高度從外殼4的底部朝頂部計(jì)算。外殼4的頂部表示為Htop，外殼4在主軸2處的高度表示為H2，外殼4的底部與頂部的溫差表示為ΔT。溫度曲線22是線性溫度曲線。溫度曲線23是超線性溫度曲線，即底部與主軸2之間的溫差大于主軸2與頂部的溫差。溫度曲線21是亞線性曲線，即底部與主軸2之間的溫差小于主軸2與外殼4頂部的溫差。
這些溫度曲線導(dǎo)致外殼4沿主軸2不同程度的彎曲。圖3所示為外殼4在圖2所示的溫度曲線時(shí)彎曲程度的數(shù)學(xué)計(jì)算結(jié)果。
圖4和圖5是汽輪機(jī)1的橫斷面圖。內(nèi)殼3由兩部分3A,3B組成，它們?cè)谒矫?1上裝配在一起，每一部分均有兩個(gè)彼此相對(duì)的翼緣12A和12B。外殼4的橫斷面呈環(huán)狀。內(nèi)殼3的環(huán)形橫斷面有一些徑向朝外的凸棱。其中有兩塊凸棱由水平翼緣12A和12B形成。垂直方向的凸棱由位于汽輪機(jī)1底部6的附加塊9形成。另一塊垂直方向的凸棱由位于汽輪機(jī)1頂部5的平衡塊10形成。外殼4與內(nèi)殼3之間是環(huán)狀的徑向間隙7。間隙7在水平面11處因翼緣12A和12B而變窄。間隙7在外殼4與翼緣12A、12B之間形成水平狹窄部19。間隙7的另一處狹窄部8由附加塊9在間隙7內(nèi)朝外殼4伸展而成。依據(jù)圖4的實(shí)施例，所有凸棱(附加塊9、平衡塊10以及翼緣12A、12B)的橫斷面大致呈長(zhǎng)方形。平衡塊10與附加塊9沿主軸延伸并至少部分在安裝部20(安裝設(shè)施)外，而且(至少部分)與葉片柵區(qū)24軸向重疊。
圖5中附加塊9的橫斷面大致呈三角形，平衡塊10的橫斷面也可以是三角形。
在汽輪機(jī)1關(guān)機(jī)和冷卻過(guò)程中，在間隙7處形成氣體介質(zhì)、亦即蒸汽的自然對(duì)流。由于附加塊9將大量的熱能從內(nèi)殼3傳導(dǎo)至外殼4，使得在狹窄部8與水平狹窄部19之間的間隙處也產(chǎn)生自然對(duì)流。這一對(duì)流使熱能也傳導(dǎo)到外殼4，使得外殼4在狹窄部8與水平面11之間的內(nèi)表面25上的溫度T也增高了。而內(nèi)殼3外表面24上的溫度則沒(méi)有多大變化。
附圖標(biāo)記請(qǐng)單1．透平機(jī)，汽輪機(jī)2．主軸3．內(nèi)殼3A,3B內(nèi)殼部件4．外殼5．頂部6．底部
7．徑向間隙8．狹窄部9．附加塊10．平衡塊11．水平面12．12A,12B翼緣13．進(jìn)汽區(qū)14．排汽區(qū)15．渦輪轉(zhuǎn)子16．蒸汽17．動(dòng)葉片18．導(dǎo)向葉片19．水平狹窄部20．安裝部21．亞線性溫度曲線22．線性溫度曲線23．超線性溫度曲線24．葉片柵區(qū)
權(quán)利要求
1．一種透平機(jī)(1)，尤其是汽輪機(jī)，它具有一主軸(2)、內(nèi)殼(3)、外殼(4)、頂部(5)、底部(6)、將內(nèi)殼(3)安裝在外殼(4)上的安裝部(20)、沿主軸(2)延伸的葉片柵區(qū)(24)，其中，外殼(4)圍繞內(nèi)殼(3)形成一徑向間隙(7)，該間隙(7)在底部(6)有一狹窄部(8)，并除安裝部(20)以外沿主軸(2)延伸，該間隙(7)沿主軸(2)方向與葉片柵區(qū)(24)部分重疊。
2．如權(quán)利要求1所述的透平機(jī)(1)，其內(nèi)殼(3)在間隙(7)處向外殼(4)延伸形成狹窄部(8)。
3．如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的透平機(jī)(1)，其具有與內(nèi)殼(3)熱力相連并安裝在底部(6)的導(dǎo)熱附加塊(9)。
4．如權(quán)利要求3所述的透平機(jī)，其附加塊(9)的橫斷面大致呈三角形、長(zhǎng)方形之類(lèi)的形狀。
5．如權(quán)利要求3或4所述的透平機(jī)(1)，其附加塊(9)沿主軸(2)方向定向。
6．如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的透平機(jī)(1)，其中，在所述頂部(5)設(shè)有平衡塊(10)，該平衡塊尤其可與內(nèi)殼(3)相連。
7．如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的透平機(jī)(1)，其中，在所述底部(6)，所述外殼(4)朝內(nèi)殼(3)伸展。
8．如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的透平機(jī)(1)，是一高壓汽輪機(jī)或一中壓汽輪機(jī)。
9．如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的透平機(jī)(1)，其內(nèi)殼(3)包括兩部分(3A,3B)，這兩部分內(nèi)殼部件(3A,3B)沿水平面(11)可相互分開(kāi)。
10．如權(quán)利要求9所述的透平機(jī)(1)，其內(nèi)殼部件(3A,3B)具有呈水平徑向朝外的翼緣(12A,12B)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種透平機(jī)(1),尤其是汽輪機(jī),它具有一主軸(2)、內(nèi)殼(3)、外殼(4)、頂部(5)、底部(6)、在外殼(4)與內(nèi)殼(3)之間形成一徑向間隙(7),該間隙在底部(6)有一處狹窄部(8)。
文檔編號(hào)F01D25/26GK1298470SQ99805430
公開(kāi)日2001年6月6日 申請(qǐng)日期1999年4月6日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月6日
發(fā)明者沃爾克·西蒙, 埃德溫·戈布雷科特, 喬·漢農(nóng), 勞倫斯·克蘭 申請(qǐng)人:西門(mén)子公司