具有可旋转定子叶片的蒸汽涡轮的制作方法

1.本文所公开的主题涉及蒸汽涡轮，具体地讲，涉及需要控制蒸汽流和/或功率输出的机械驱动涡轮和发电涡轮。


背景技术：

2.蒸汽涡轮是具有超过一百年工业应用的涡轮机，其中已证实的设计解决方案自数十年以来已被所有制造商采用。
3.蒸汽涡轮流量和功率控制是机械驱动蒸汽涡轮(即，用于驱动压缩机或泵的蒸汽涡轮)的关键要求。
4.另外，通常需要发电蒸汽涡轮来控制负载。
5.蒸汽涡轮流量和功率控制通常通过将节流阀放置在涡轮的上游或涡轮自身内部的“部分弧控制级”来实现。
6.这些装置通过限制涡轮中蒸汽的量和/或压力来实现控制。然而，这些解决方案可能决定导致不期望的能量耗散的显著压降。
7.考虑到对工业蒸汽涡轮中的设计和非设计条件下的效率的需求增加，希望找到替代解决方案来控制降低能量耗散的蒸汽涡轮的流量和/或功率。
8.蒸汽涡轮已知其中一些定子叶片的角位置是变化的以便控制它们的操作。
9.如果上述解决方案用于高压蒸汽涡轮，则通过其壳体中的开口发生蒸汽的大量泄漏，这是命令定子叶片所必需的。


技术实现要素：

10.根据一个方面，本文所公开的主题涉及具有多个膨胀级的蒸汽涡轮；该蒸汽涡轮在膨胀级中的至少一个膨胀级上游具有一排定子叶片；该排的定子叶片具有在蒸汽涡轮操作期间由致动组件控制的角位置。致动组件包含命令杆、机械地联接到命令杆的致动机构以及机械地联接到致动机构和定子叶片的多个传动装置。通过作用于至少部分地在蒸汽涡轮的外部壳体外部的命令杆，可以旋转在蒸汽涡轮的内部壳体内部的定子叶片。
11.根据另一方面，本文所公开的主题涉及一种控制蒸汽涡轮的蒸汽流和功率输出的方法；该方法包括在蒸汽涡轮的操作期间通过从蒸汽涡轮的外部壳体突出的命令杆改变至少一排定子叶片的角位置的步骤。蒸汽涡轮的外部壳体内部的可旋转环用于将运动从命令杆传递到定子叶片。
附图说明
12.当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，将容易地获得对本发明所公开的实施方案及其许多伴随的优点的更全面的理解，这同样变得更好理解，其中：
13.图1示出了已知的蒸汽涡轮的示意性纵向剖视图；
14.图2示出了蒸汽涡轮的实施方案的局部示意性纵向剖视图；
15.图3示出了图2的涡轮中的致动组件的第一实施方案的局部示意性前剖视图；
16.图4示出了图3的致动组件的第一可能的具体实施的局部示意性纵向剖视图；
17.图5示出了图3的致动组件的第一可能的具体实施的局部示意性顶视图；
18.图6示出了图3的致动组件的第二可能的具体实施的局部示意性纵向剖视图；
19.图7示出了图3的致动组件的第二可能的具体实施的局部示意性顶视图；
20.图8示出了图3的致动组件的第三可能的具体实施的局部示意性顶视图；
21.图9示出了图3的致动组件的第四可能的具体实施的局部示意性纵向剖视图；
22.图10示出了图2的涡轮中的命令杆的局部示意性前剖视图；并且
23.图11示出了调节蒸汽涡轮中的蒸汽流的方法的实施方案的流程图。
具体实施方式
24.需要用于机械驱动或发电目的的蒸汽涡轮来控制给定蒸汽压力比和入口条件(压力和温度)下的质量流量和/或功率输出。
25.通常使用节流阀或部分弧控制级解决方案来实现对质量流量和功率的控制，节流阀或部分弧控制级解决方案利用它们的功能来改变涡轮轴向级之前的压力并最终改变整个涡轮级上的压力比。这些方法虽然广泛应用于蒸汽涡轮工业，但其特征在于其设计条件之外的低等熵效率，因为节流(其均应用于这两种方法中)是纯机械能耗散，并且部分弧级的特征在于由于固有的流动不均匀性和风力影响而导致的高空气动力学损耗。
26.申请人已经设想了一种不同的解决方案，其中通过改变至少第一排定子叶片的角位置来实现质量流量的控制。
27.改变蒸汽涡轮的轴向级的排中定子叶片的角位置允许修改级的操作曲线(流速相对于压力)。具体地讲，操作曲线由于可旋转定子叶片之间的喉部区域的变化而改变。
28.该解决方案在涡轮的设计操作条件之外实现了高得多的效率，因为它避免了与使用节流或部分弧相关的能量耗散。具体地讲，即使在设计操作条件之外，蒸汽涡轮的效率也保持接近设计水平。
29.更详细地讲，申请人已经想到在蒸汽涡轮的操作期间借助于涡轮外部的控制单元改变定子叶片的角位置。
30.有利的是，根据所需的流量变化和效率水平来控制一个或多个其他排的定子叶片。
31.鉴于蒸汽涡轮的特定架构，特别是用于机械驱动或发电应用的那些，申请人已经设想了致动定子叶片的特定且有利的解决方案。
32.现在将详细参考本公开的实施方案，其一个或多个示例在附图中示出。通过解释本公开而非限制本公开来提供每个示例。事实上，对于本领域的技术人员将显而易见的是，在不脱离本公开的范围或精神的情况下，可对本公开进行各种修改和变型。本说明书通篇对“一个实施方案”或“实施方案”或“一些实施方案”的提及意指结合实施方案描述的特定特征、结构或特性包括在所公开的主题的至少一个实施方案中。因此，在整篇说明书的多处出现的短语“在一个实施方案中”或“在实施方案中”或“在一些实施方案中”不一定是指相同的实施方案。此外，在一个或多个实施方案中，特定特征、结构或特性可以任何合适的方式组合。
33.当介绍各种实施方案的要素时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”旨在表示存在要素中的一个或多个要素。术语“包含”、“包括”和“具有”旨在是包括性的，并且意指除列出要素外还可以存在附加要素。
34.现在参考附图，图1是已知的蒸汽涡轮100的视图，并且图2是由图1的涡轮改进而成的新的蒸汽涡轮200的实施方案的(局部)视图；蒸汽涡轮200的部件和涡轮100的对应部件由相差一百的参考标号标识。
35.图2的蒸汽涡轮200与图1的蒸汽涡轮100的基本不同之处在于，至少一排叶片的叶片，特别是三排叶片的叶片(即叶片221、222和231)，可在蒸汽涡轮的操作期间移动；具体地讲，围绕这些叶片的轴线的角位置可在蒸汽涡轮的操作期间变化；该轴线是径向取向的。具体地讲，蒸汽涡轮200的高压段包括至少第一转子叶片级段260、第一内部壳体段220、叶片221、叶片261、叶片222、叶片262。蒸汽涡轮200的低压段包括至少第二转子叶片级段270、第二内部壳体段230、叶片231和叶片271。
36.通常，一排的所有叶片均可移动；然而，不排除根据一些实施方案，一排叶片中的仅一些可移动。
37.应当了解，图2及其与图1的关系不应被理解为是限制性的。许多其他实施方案也是可能的，例如具有不同数量的叶片排和/或不同数量的涡轮段。
38.在图2中，概念性地示出了移动的可能性和允许此类移动可能性的装置。
39.在图2的实施方案中，存在被布置成旋转定子叶片221和222的第一致动组件280(也参见图3)，以及被布置成旋转定子叶片231的第二致动组件290(也参见图6)。第一致动组件包括致动机构和两个多个传动装置，并且由命令杆命令；致动机构概念性地由点划线圆281示出；第一多个传动装置(用于叶片221)概念性地由箭头285示出；第二多个传动装置(用于叶片222)概念性地由箭头286示出；与致动机构可操作地联接的命令杆概念性地由条带289示出。第二致动组件包括致动机构和多个传动装置并且由命令杆命令；致动机构概念性地由点划线圆291示出；传动装置(用于叶片231)概念性地由箭头295示出；与致动机构可操作地联接的命令杆概念性地由条带299示出。
40.根据图2的实施方案，存在至少一排定子叶片恰好在至少一个膨胀级上游；这例如适用于相对于转子叶片261的叶片221、相对于转子叶片261的定子叶片222以及相对于转子叶片271的叶片231。这些叶片是位置受控叶片，具体地讲，具有在蒸汽涡轮操作期间可控的角位置。
41.优选地，如在图2的实施方案中，存在恰好在蒸汽涡轮的第一膨胀级即涡轮200的叶片261上游的一排位置受控叶片。叶片261属于蒸汽涡轮的第一膨胀级，该第一膨胀级也是蒸汽涡轮的高压段的第一膨胀级。在图2的实施方案中，还存在恰好在蒸汽涡轮的低压段的第一膨胀级即涡轮200的叶片271上游的一排位置受控叶片。
42.除了恰好在蒸汽涡轮的第一膨胀级上游的一排位置受控叶片之外，有利的是，还可存在其他排的位置受控叶片。例如，在图2的实施方案中，存在恰好在蒸汽涡轮的第二膨胀级即涡轮200的叶片262上游的一排位置受控叶片。
43.如已经预期的，图2的实施方案包括两个致动组件；然而，另选的实施方案可包括仅一个致动组件或两个以上的致动组件。考虑图2，根据一些优选的实施方案，仅存在第一致动组件，即，被设计成移动第一排定子叶片(图2中的221)和可能的一排或多排后续定子
叶片(图2中的222)的致动组件。
44.蒸汽涡轮200包括容纳膨胀级(即，叶片261、262、263)的内部壳体段220和围绕内部壳体段220的外部壳体210；应当注意，内部壳体段220是内部壳体。此外，其包括被布置成使定子叶片221和222旋转的致动组件280，即第一致动组件(也参见图3)。根据更简单的情况，如图3所例示的，致动组件280被布置成仅旋转定子叶片221。
45.该致动组件包括致动机构281以及多个传动装置285和286；传动装置285和286被布置成将旋转运动分别从致动机构281传递到定子叶片221和222；致动机构281有利地定位在外部壳体210与内部壳体220之间，更精确地定位在外部壳体210与内部壳体220之间的间隙中。
46.蒸汽涡轮200还包括用于命令致动机构281的命令杆289；另外，命令杆289可被视为第一致动组件的部件。有利的是，在这种情况下，外部壳体210具有部分地容纳命令杆289的通孔；事实上，可从蒸汽涡轮的外部命令致动机构(以及位置受控定子叶片)，并且将蒸汽泄漏限于外部环境和间隙环境之间的单杆孔(在相对低的压力下，即，低于蒸汽涡轮的流动路径中的压力)；一般来讲，一个或多个密封件与命令杆相关联。优选地，在这种情况下，命令杆289被布置成进行平移和/或旋转的运动。
47.优选地，命令杆289包括一个或多个铰接接头，用于补偿由于蒸汽涡轮200和命令杆289的热膨胀而引起的变形，热膨胀越靠近蒸汽涡轮200的涡轮轴线“r”越强。
48.优选地，致动组件280的致动机构281包括可围绕蒸汽涡轮200的涡轮轴线“r”旋转的可旋转环310，并且命令杆289被布置成致动可旋转环310的旋转。
49.在第一实施方案中，如图10所示，命令杆289相对于可旋转环310切向地布置，并且具体地通过铰链联接到可旋转环310。在该第一实施方案中，命令杆289被配置成进行平移运动，以便致动可旋转环310围绕涡轮轴线“r”的旋转。
50.在第二实施方案中，命令杆289相对于可旋转环310切向地布置，并且具体地通过蜗轮联接到可旋转环310。在该第二实施方案中，命令杆289被配置成进行旋转运动，以便致动可旋转环310围绕涡轮轴线“r”的旋转。
51.在第三实施方案中，命令杆289相对于可旋转环310径向地布置，并且具体地通过90
°
齿轮联接到可旋转环310。在该第三实施方案中，命令杆289被配置成进行旋转运动，以便致动可旋转环310围绕涡轮轴线“r”的旋转。
52.蒸汽涡轮200包括容纳膨胀级(即叶片271、272、273)的另一个内部壳体段230和围绕内部壳体段230的外部壳体210；应当注意，内部壳体段230是内部壳体。此外，其包括被布置成使定子叶片231旋转的另一个致动组件290，即第二致动组件(也参见图9)。根据更复杂的情况，致动组件290可被布置成使其他定子叶片旋转。
53.该致动组件包括致动机构291和多个传动装置295；传动装置295被布置成将旋转运动从致动机构291传递到定子叶片231，并且可部分地整合到致动机构291中和部分地整合到定子叶片231中；致动机构291有利地定位在内部壳体230内，更精确地定位在内部壳体230的内侧的凹槽座中。
54.蒸汽涡轮200还包括用于命令致动机构291的另一个命令杆299；命令杆299也可被视为第二致动组件的部件。有利的是，在这种情况下，外部壳体210具有部分地容纳命令杆299的通孔；事实上，可从蒸汽涡轮的外部命令致动机构(以及位置受控定子叶片)，并且将
蒸汽泄漏限于外部环境和间隙环境之间的单杆孔(在相对低的压力下，即，低于蒸汽涡轮的流动路径中的压力)；一般来讲，一个或多个密封件与命令杆相关联。优选地，在这种情况下，命令杆299被布置成进行平移或基本平移的移动。优选地，可根据上文参照命令杆289所述的实施方案来布置命令杆299。
55.就致动组件290而言，内部壳体230有利地具有部分容纳命令杆299的通孔；事实上，蒸汽损失被限于间隙环境和流动路径环境之间的单杆孔。
56.下面将参考图3描述第一致动组件280的第一实施方案。
57.致动组件280的多个传动装置285包括多个致动杆320，该多个致动杆被布置成相应地旋转多个定子叶片340(对应于图2中的叶片221)；定子叶片340可以围绕横向于蒸汽的流动方向的相应展向方向旋转，特别是径向取向。优选地，每个致动杆320刚性地联接连接到相应的定子叶片340并且平行于其展向方向延伸。
58.优选地，传动装置285被布置成将旋转运动从环310传递到致动杆320中的每一个。根据图4和图5的实施方案，此类传动装置285包括与环310和多个致动杆320联接的多个臂330。应当注意，臂330也可被视为致动机构281的部件。
59.具体地讲，根据图4和图5的实施方案，每个臂330横向于相应定子叶片340的展向尺寸延伸，并且具有刚性地连接到相应致动杆320的第一端部和铰接到致动机构281具体地铰接到环310的第二端部。优选地，每个臂通过简单的圆柱形铰链铰接到致动机构281，具体地铰接到环310。这意味着在环310的旋转期间环310的小的轴向移动。
60.下面将参照图6和图7描述第一致动组件280的第二实施方案。
61.根据第二实施方案的致动组件280的多个传动装置285包括以与第一实施方案中所述的致动杆320相同的方式布置的多个致动杆320。传动装置285还包括多个臂330。每个臂330横向于相应定子叶片340的展向尺寸延伸并且具有第一端部和第二端部，该第一端部刚性地连接到相应致动杆320。应当注意，臂330也可被视为致动机构281的部件。
62.根据第二实施方案的致动组件280的多个传动装置285还包括具有第一端部和第二端部的多个连接杆325，每个连接杆325的第一端部铰接到相应臂330的第二端部，并且每个连接杆325的第二端部铰接到致动机构281，具体地铰接到环310。优选地，每个连接杆325借助于球形接头铰接到相应的臂330和致动机构，具体地铰接到环310。有利的是，这防止环310的轴向移动。应当注意，连接杆325也可被视为致动机构281的部件。
63.下面将参考图8描述第一致动组件280的第三实施方案。
64.根据第三实施方案的致动组件280的多个传动装置285包括以与第一实施方案中所述的致动杆320相同的方式布置的多个致动杆320。传动装置285还包括多个传动构件335。每个传动构件335刚性地连接到相应的致动杆320并且具有以相应定子叶片340的展向方向为中心的第一拱形表面。应当注意，传动构件335也可被视为致动机构281的部件。
65.根据第三实施方案的致动机构281，具体地环310，具有多个第二拱形表面。致动机构281的每个第二拱形表面与传动构件的相应第一拱形表面互补并且被定位成抵靠传动构件的相应第一拱形表面。有利地，每对第一拱形表面和第二拱形表面被构造为在环310的旋转期间抵靠彼此滑动，以便致动致动杆320和连接到致动杆320的定子叶片340的旋转。有利的是，这防止环310的轴向移动。
66.在第一实施方案、第二实施方案和第三实施方案中，致动杆320和定子叶片340形
成单件或固定地联接在一起，并且它们的轴线重合，如图3、图4、图5、图6、图7和图8所示。
67.优选地，内部壳体220可具有部分地容纳多个致动杆320的多个通孔225。根据图3的实施方案，叶片340的轴线、致动杆320的轴线和孔225的轴线重合。在图4和图6的实施方案中，可存在从容纳致动杆的孔的一定蒸汽渗漏；然而，此类泄漏对于蒸汽涡轮是内部的，因此对机器的操作不是真正有害的，并且由于间隙和流动路径之间的压力差相对较小而受到限制；此外，一个或多个密封件与致动杆相关联。
68.根据图4和图6的实施方案，致动杆320中的每一个致动杆具有轴向杆通孔323，由此第一杆端部321和第二杆端部322流体连接，定子叶片340中的每一个定子叶片具有叶片通孔343，由此第一叶片端部341和第二叶片端部342流体连接，并且杆孔323与叶片孔343流体连接。在这种情况下，在第一杆端部321和第二杆端部322之间以及在第一叶片端部341和第二叶片端部342之间存在相对较低的压力差，使得致动组件280的部件必须抵消相对较低的压力。
69.根据图4和图6的实施方案，第一叶片端部341铰接到内部壳体220的内侧；有利的是，第二叶片端部342铰接到蒸汽涡轮200的定子构件240，该定子构件可以是例如蒸汽涡轮200的入口蜗壳或其延伸部。应当注意，根据另选的实施方案，叶片340可仅在一个端部处铰接。
70.一般来讲，根据上述实施方案的致动机构可被视为除命令杆和致动杆之外的致动组件的所有部件的组件。致动机构的典型部件是致动可旋转环。换句话讲，致动机构是允许将运动从命令杆传递到致动杆的部件的组件。
71.下面将参考图9描述第二致动组件290的实施方案。
72.致动组件290的致动机构291包括可围绕蒸汽涡轮200的轴线旋转的可旋转环610；优选地，可旋转环610定位在内部壳体230的环形座234中；更优选地，环形座234是内部壳体230的内侧中的凹槽；以此方式，环610基本上不妨碍蒸汽的流动。具体地讲，环610通过轴承连接到环形座234，该轴承定位在座234内部以便允许环610旋转。
73.根据图9的实施方案，致动组件290的传动装置295被布置成将旋转运动从环610传递到定子叶片640中的每个定子叶片(对应于图2中的叶片231)。在该实施方案中，定子叶片640可以围绕横向于蒸汽流动方向的轴线旋转，特别是径向取向。在该实施方案中，传动装置295部分地整合到致动环610中并且部分地整合到定子叶片640中；例如，环610具有与定子叶片640的多个齿645配合的多个齿。每个定子叶片640可以仅具有一个齿645，或者优选地具有多个齿645。优选地，多个齿645定位在流动路径的外部并且在内部壳体230的内侧中的凹槽236内移动。
74.根据图9的实施方案，第一叶片端部641铰接到内部壳体230的内侧；为此，定子叶片640具有装配到盲孔237中的枢轴643。应当注意，根据另选的实施方案，第二叶片端部642可铰接。
75.根据图9的实施方案，内部壳体230具有一个终止于凹槽234处的通孔235，其中命令杆299可滑动以命令环610的旋转(参见图6中的箭头)。
76.应当注意，图3、图4、图5、图6、图7、图8和图9中所示的机械解决方案可在蒸汽涡轮中的其他地方使用来移动定子叶片。
77.致动可旋转环可a)定位在蒸汽涡轮的外部壳体与蒸汽涡轮的内部壳体之间，或者
b)定位在蒸汽涡轮的内部壳体内部。
78.刚刚描述的蒸汽涡轮和其他类似的实施方案允许实施调节蒸汽流的方法。
79.这些方法的实施方案包括以下步骤：
80.‑
在蒸汽涡轮的操作期间改变至少一排定子叶片的角位置；
81.该步骤对应于图7的流程图中的框720、730和740。
82.在蒸汽涡轮的操作期间，角位置可改变一次或更典型地若干次。外部控制单元可负责决定何时执行此类改变并且向对应的致动器例如电动马达提供命令。
83.优选地，可移动定子叶片是恰好定位在蒸汽涡轮的第一膨胀级上游的那些叶片。
84.有利的是，可以移动一排或多排其他定子叶片，例如第二排和/或第三排定子叶片。
85.可移动定子叶片可以是恰好定位在蒸汽涡轮的任何膨胀段的第一膨胀级上游的那些叶片。
86.图7示出了调节蒸汽涡轮中的蒸汽流的方法的实施方案的流程图。该方法具有可分别对应于蒸汽涡轮的启动和蒸汽涡轮的关闭的开始步骤710和结束步骤790。
87.根据该实施方案，定子叶片的角位置通过以下步骤改变：
88.‑
转动(框720)从蒸汽涡轮的外部壳体突出的命令杆，
89.‑
将旋转运动从命令杆传递(框730)到致动可旋转环，该致动可旋转环定位在蒸汽涡轮的外部壳体内部，以及
90.‑
将旋转运动从致动可旋转环传递(框740)到定子叶片。
91.对于每个可移动定子叶片重复上述三个步骤；通常，所有可移动定子叶片的移动同时发生。应当注意，可旋转环可作用于一排或多排可移动定子叶片。
92.尽管上述三个步骤在逻辑上是顺序的，但它们之间的时间差可非常短或甚至为零。
93.通常，对于所有可移动定子叶片，在蒸汽涡轮的操作期间重复上述三个步骤多次；这通过图7中的环l示出。