STEAM TURBINE HAVING STEAM SUPPLEMENTING STRUCTURE AND OPERATION METHOD THEREFOR

本发明涉及一种具有补汽结构的汽轮机及其运行方法。

汽轮机是一种旋转式蒸汽动力装置，通常包括配有叶片的、可转动地支承的转子，该转子布置在壳体套内部。在经过加热的且处于压力之下的蒸汽流经由所述壳体套形成的流动空间时，所述蒸汽通过叶片将所述转子置于旋转之中。

出于效率的原因，汽轮机的运行参数(如蒸汽的压力及温度)越来越高，受强度和材料限制，为了使汽轮机在特别高的温度下仍能够可靠运行，需要对汽轮机的各构件进行冷却。因为这些构件的耐热强度都是有限的。若在温度提高时不能获得有效的冷却，则需要用非常昂贵的材料(例如镍基合金)来制造。

按迄今已知的尤其用于形式上为汽轮机汽缸或转子的汽轮机构件的冷却方法，可分为主动冷却和被动冷却。按主动冷却，冷却通过一种独立于汽轮机构件，亦即除工质之外附加输入冷却剂的方式实现。反之，被动冷却仅通过恰当导引或利用工质进行。迄今汽轮机构件优选使用被动冷却。

专利CN 200580033477.9公开了一种汽轮机，如图1所示，包括一个外缸2和一个内缸3，所述外缸2和内缸3形成有一个新汽输入通道10，一个具有一推力平衡活塞4并包括多个工作叶片7的转子5旋转支承地装在内缸3的内部，在内缸3上以这样的方式设置多个导向叶片8，沿流动方向11构成一个包括多个叶片级的蒸汽的流动通道9；蒸汽在一个叶片级后经过一个处于内缸3内的反馈通道14流入内缸3与外缸2之间的一腔室15内，从那里经过一个处于内缸3内的输入通道16流入一个沿轴向17设在推力平衡活塞4与内缸3之间的推力平衡活塞腔室12内；通过推力平衡活塞腔室12内的蒸汽达到推力平衡。

用箭头13象征性地表示新汽输入；流入新汽输入通道10的新蒸汽绝大部分沿流动方向流入流动通道9，较小的部分作为漏汽流入一个处于转子5与内缸3之间的密封腔18。在这里，漏汽基本上沿反方向19流动。在密封腔18中的蒸汽，经过内缸3设置的一交叉反馈通道20流入一个设在一个叶片级后的流入腔26内，标记21、22表示交叉反馈通道20的两次转向；同时，补汽经过一个穿过外缸2与内缸3的负荷引入管23流入所述流入腔26内。所述反馈通道14在一个反馈叶片级24后与所述流动通道9连接，所述交叉反馈通道20在一个交叉反馈叶片级25后与所述流动通道9连接，所述交叉反馈叶片级25沿流动通道9的流动方向11设在所述反馈叶片级24之后。

具有上述冷却结构的汽轮机在实际应用中，如图2所示，补汽管道24’与交叉反馈通道20’在内缸3’内通过一个补汽腔27’相连，同时通过管道23’向通流内输入补汽和冷却汽。这样的结构在实际运行中往往产生很大的振动问题。如图3所示，汽轮机补汽通过补汽管道24’，由汽轮机两侧分两路经插管直接进入内缸3’补汽；由于内缸中分面结构，两路补汽分别进入内缸3’的两个独立的补汽腔27’。由于补汽阀的球腔结构和两侧管路设计的不同，两股补汽存在流量和压力差，补汽时会在两侧的管道23’和通流中产生激励和补汽流量不均的情况，从而导致汽轮机振动问题。

专利CN201480046503.0公开了该振动问题的原因，并提供一种解决方案。该专利提供了一种在两侧补汽管路分别加装调节阀和振动检测探头的方案。如图5所示，汽轮机32的两个蒸汽供给管路35、36中分别设置第一阀33和第二阀34，当第一阀33和/或第二阀34出现振动时，使第一阀33朝关闭的方向调节，第二阀34朝打开的方向调节。

发明的公开

本发明的目的在于提供一种具有补汽结构的汽轮机及其运行方法，通过优化内缸内部冷却管路及补汽结构，以全新的方式来解决汽轮机运行时补汽阀开启后的振动问题。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供一种具有补汽结构的汽轮机，包含外缸和内缸，一个有推力平衡活塞的转子旋转支承地装在所述内缸的内部，所述内缸与转子之间形成有蒸汽的流动通道，其中交替 地布置转子的多个工作叶片和内缸的多个导向叶片形成多级叶片机组，所述内缸和外缸之间形成有供蒸汽流通的夹层；所述内缸和外缸之间的夹层包含补汽腔室，其与输送补汽到汽轮机的多路补汽管道相连通；所述补汽腔室与所述流动通道之间设有供蒸汽流通的连通管。

可选地，所述补汽腔室为环状补汽腔。

可选地，所述补汽腔室中越接近连通管的部位，对蒸汽的容纳空间越大。

可选地，所述多级叶片机组包含第一设定叶片机组和第二设定叶片机组；所述转子和内缸之间设有密封腔室；

所述汽轮机在内缸内部设有第一蒸汽通道，将第一设定叶片机组之后的通流，与形成在所述推力平衡活塞和内缸之间的一推力平衡活塞腔室连通；

所述汽轮机还设有第二蒸汽通道，包含：将所述密封腔室与所述内缸和外缸之间夹层连通的管路，所述夹层及其补汽腔室，以及将夹层与第二设定叶片机组之后的通流连通的所述连通管。

可选地，所述第二设定叶片机组在流动通道中处于第一设定叶片机组的下游。

可选地，所述第一设定叶片机组对应流动通道中的第四叶片级，所述第二指定叶片机组对应流动通道中的第五叶片级。

可选地，若干路所述连通管分布于内缸圆周。

可选地，所述第一蒸汽通道在内缸中，先基本垂直于转子的轴向延伸，第一次转向后基本平行于轴向延伸，第二次转向后基本又垂直于轴向延伸；

所述第二蒸汽通道中，将所述密封腔室与所述内缸和外缸之间夹层连通的管路基本垂直于转子的轴线延伸，将夹层与第二设定叶片机组之后的通流连通的连通管基本垂直于轴线延伸。

可选地，多路所述补汽管道分别贯穿外缸，与所述补汽腔室连通。

本发明的另一个技术方案是提供一种汽轮机的运行方法，适用于上述任意一种具有补汽结构的汽轮机：

汽轮机的内缸和外缸具有的一个新汽输入通道，将新鲜蒸汽送入内缸内部的进汽腔，新鲜蒸汽从进汽腔出发进入内缸和转子之间的流动通道， 并绕流各级叶片机组进行膨胀及冷却，以释放热能来带动转子旋转；

通过汽轮机的内缸内设置的第一蒸汽通道，将蒸汽从多级叶片机组中的第一指定叶片机组之后的通流处，送到位于内缸与转子的推力平衡活塞之间的推力平衡活塞腔室，以产生一个反作用于转子推力的对向力；

通过汽轮机设置的第二蒸汽通道，将蒸汽从转子和内缸之间的密封腔室，送到位于内缸和外缸之间夹层中的补汽腔室，来与外部通过多路补汽管道送入到所述补汽腔室的补汽混合，再经由设置于内缸的连通管返回到第二指定叶片机组之后的通流处继续做功。

与现有技术相比，本发明所述具有补汽结构的汽轮机及其运行方法，具有以下优点：

本发明使冷却结构中的蒸汽流向反向：现有冷却结构中的设计是从前一级叶片通流通过管路经内外缸夹层流进平衡活塞，然后经平衡活塞从内缸内部管路回到后一级叶片通流；本发明是从前一级叶片通流通过内缸内管路流进平衡活塞，然后回路经过内外缸夹层到达后一级叶片通流。

本发明取消了原先设置在内缸内的补汽腔室和补汽阀管道进汽插管，改为在内外缸的夹层设置合适的补汽腔室(如环状补汽腔)。现有的补汽结构使补汽从补汽阀分两路流入汽缸通流，由于内缸中分面结构，两路补汽分别进入内缸的两个独立的补汽腔，这两股补汽存在流量和压力差，造成振动问题。而本发明使得补汽能够在内外缸之间混合，消除了流量和压力差，解决了补汽阀开启时的振动问题。

相比于现有的补汽阀管路改造方案，本发明不需要高温调节阀和振动检测探头，成本更低；本发明也不需要设计专门的调节逻辑和方法，实施简单。现有的高温调节阀存在卡涩失效等问题，本发明提供的新方案更安全可靠。

附图的简要说明

图1是现有汽轮机的局部剖面图；

图2是现有汽轮机实际应用时补汽结构对应的局部剖面图；

图3是图2所示的补汽结构中内缸的径向截面示意图；

图4是现有汽轮机中解决振动问题时补汽结构的实施示意图；

图5是本发明中汽轮机的局部剖面图；

图6是本发明中通流侧蒸汽输入通道的径向截面示意图。

实现本发明的最佳方式

为了解决现有汽轮机结构运行过程中出现补汽阀开启时机组振动过大的问题，本发明提供一种具有补汽结构的汽轮机及其运行方法。

如图5、图6所示，汽轮机设有外缸110和内缸120，一个有推力平衡活塞140的转子(130)旋转支承地装在内缸120的内部。所述内缸120与转子(130)之间形成有介质(如蒸汽)的流动通道，其基本上沿转子(130)的轴向布置。所述流动通道交替地布置有转子(130)的工作叶片150和内缸120的导向叶片160，形成多级叶片机组。新鲜蒸汽通过内缸120和外缸110具有的一个新汽输入通道(图未示出)送入进汽腔350，由此进入流动通道并在下游绕流各级叶片机组，随着新鲜蒸汽的膨胀及冷却，释放热能以带动转子(130)旋转。

本发明通过设置一第一蒸汽通道，使蒸汽可以在流经流动通道时，从通流330处进入到推力平衡活塞140与内缸120之间的一推力平衡活塞腔室340，以产生一个反作用于转子推力的对向力，达到推力平衡，并实现推力平衡活塞140的冷却。

本发明还通过设置一第二蒸汽通道，使蒸汽(如来自新鲜蒸汽的一小部分漏汽)可以从转子(130)和内缸120(汽封)之间的一密封腔室310，进入到内缸120和外缸110之间的一补汽腔室220，与外部通过补汽管道送入到所述补汽腔室220的补汽混合，在该补汽腔室220中平衡补汽从两路补汽管道进入汽轮机时的流量和压力差，消除振动激励后，通过均布于内缸120圆周的连通管230引入通流330之后的叶片级组继续做功，解决补汽阀开启振动的问题。

所述补汽腔室220环绕内缸120外侧布置，可以是任意形状的空间结构，由外缸110和内缸120各自在该处的缸体形状界定。优选的补汽腔室220为环状补汽腔。本例中，可供蒸汽流通的内外缸夹层中的一部分区域，形成为所述补汽腔室220。图5中用箭头210，象征性地表示其中一路补汽管道接入补汽腔室220所在的夹层区域以送入补汽。

示例的补汽腔室220位于夹层的后段，即更靠近连通管230的一侧，且越靠近这一侧补汽腔室220的容积越大。图5中表现为越接近连通管 230，补汽腔室220截面的环宽越大。例如，通过改变内缸120外侧的结构设计，使得对应于补汽腔室220位置的内缸部位的内径逐渐减小而实现。

其中，诸如补汽腔室的形状/尺寸设计，补汽腔室在内外缸夹层中的所处位置，补汽管道到补汽腔室的接入位置/补汽流量等，都可以根据本发明汽轮机实际的应用情况进行调整，上述示例中的描述不作为限制。

示例地，所述第一蒸汽通道在内缸120中设有相应的管路，使蒸汽能够在对应通流330的一叶片机组(称为第一指定叶片机组)之后出发，先基本上垂直于轴向地延伸(以箭头411示意表示)，经过第一次转向后基本上平行于轴向地延伸(以箭头412示意表示)，再在第二次转向后基本上又垂直于轴向地延伸(以箭头413示意表示)，直至进入推力平衡活塞腔室340。

示例地，所述第二蒸汽通道，包含连通密封腔室310与内外缸夹层的管路，内外缸夹层及其中形成的补汽腔室220，以及连通内外缸夹层与流动通道的管路(含连通管230)。以箭头511示意地表示蒸汽从密封腔室310出发，基本上垂直于轴向地延伸并进入内外缸夹层；以箭头512示意地表示蒸汽沿轴向在内外缸夹层的前段延伸，经过后段的补汽腔室220时与另外输入其中的补汽(箭头210示意表示)混合，并继续延伸直至进入连通管230；以箭头513示意地表示蒸汽沿连通管230基本上又垂直于轴向地延伸，直至到达流动通道，接入另一叶片机组(称为第二指定叶片机组)之后的通流320。

本例中的第二指定叶片机组位于第一指定叶片机组的下游，是第一指定叶片机组之后的一个叶片级。优选的示例中，所述第一指定叶片机组对应流动通道的第四叶片级，所述第二指定叶片机组对应流动通道的第五叶片级。

然而，本发明并不限制根据汽轮机的实际应用情况进行结构的调整，诸如改变第一、第二蒸汽通道各自管路的形状/尺寸/转向/流量等，改变第一、第二指定叶片机组各自对应的叶片级，调整第一、第二指定叶片机组之间间隔的叶片级数量，或者将第一蒸汽通道的输入口(对应通流330处)调整到第二蒸汽通道的输出口(对应通流320处)的下游，等等。

综上所述，本发明所述具有补汽结构的汽轮机及其运行方法，改变了 冷却结构中的蒸汽流向，还在内外缸间设置了合适的环状补汽腔，使补汽可以在内外缸之间混合，消除了输入两路补汽时的流量和压力差，有效地解决汽轮机运行时补汽阀开启后的振动问题。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。