專利名稱：渦輪機軸及用于冷卻渦輪機軸的方法
技術領域：
本發明涉及一種渦輪機軸，其沿主軸線設置并具有一個流體進入區，沿軸向與此流體進入區相連有至少兩個相互間隔分別用于支承至少一渦輪機葉片的凹槽。本發明還涉及一種用于冷卻安裝在一渦輪機，尤其是一蒸汽輪機中的一渦輪機軸的進汽區的方法。
在DE3209506A1中記載了一種軸流式蒸汽輪機，尤其是一種雙向流結構的蒸汽輪機。在蒸汽進汽區內，在軸與一環狀軸護板之間構成一環形通道。該軸在蒸汽進汽區內具有一旋轉對稱的槽。所述環狀軸護板部分地突入該凹槽內，該護板通過第一導向葉片組與渦輪機箱體連接并由此來支承。軸護板具有一蒸汽導入通道，該通道與進汽區同心并位于第一組導向葉片之間，并切向通入旋轉軸與由箱體支承固定的護板之間的縫隙內。
在DE3406071A1中示出一環狀軸護板，該護板位于第一組導向葉片的兩個輪緣之間。通過該軸護板使渦輪機軸的外周或表面相對新汽屏蔽。軸護板具有位于輪緣上游的進口，通過這些進口部分新汽流被節流進到軸護板與渦輪機軸之間的間隙內。進口應這樣傾斜，以使新汽有進入渦輪機軸周邊方向的蒸汽流分量。在軸護板的內圓周上以及渦輪機軸上可以裝有輔助導向葉片或輔助工作葉片。
為提高蒸汽輪機效率，可采用高壓高溫蒸汽，尤其是具有所謂的超臨界蒸汽狀態的蒸汽，其溫度例如超過了550℃。這種蒸汽的應用提高了對蒸汽輪機，尤其是蒸汽輪機軸的承載要求。
本發明的目的在于提供一種渦輪機軸，該軸在一個受高熱負荷的區域內，尤其是在工作流體介質的流入區域內可被冷卻。本發明的另一目的在于，提供一種對裝在渦輪機上的渦輪機軸，尤其是對渦輪機軸的進汽區域進行冷卻的方法。
本發明有關渦輪機軸方面的目的是通過這樣一種渦輪機軸來實現的，該軸沿主軸設置并具有一個工作流體流入區域，和至少兩個沿軸向相互間隔及與流入區域相間隔并分別用來支承至少一渦輪葉片的凹槽，以及一與流入區域相配的空腔。該空腔與作為冷卻流體的工作流體分流的一導入通道和一導出通道相連。該導入通道優選從第一凹槽下游的軸表面處進入空腔，該導出通道則由空腔通到第二凹槽下游的軸表面處。第二凹槽較第一凹槽處于更下游處。由此來保證，工作流體在第二凹槽區域內比在第一凹槽區域內具有不僅更低的壓力而且更低的溫度。當驅動渦輪軸的工作流體用來作為渦輪機軸冷卻用的冷卻流體，能夠保證通過所存在的溫度和/或壓力梯度而使流體通過空腔。空腔優選對于渦輪軸軸向是旋轉對稱的。
通過對軸的材料的冷卻可明顯提高其自身的承載能力并因此能夠采用合理的制造方法，如在很高的蒸汽進入溫度范圍也可使用常規的經濟的軸材料。
當渦輪機軸受工作流體驅動，尤其是用超臨界狀態的蒸汽沖擊它使其工作時，通過冷卻流體導入空腔可實現渦輪機軸在進汽區域的冷卻。被導入進汽區域處的空腔用來冷卻渦輪機軸的冷卻流體在此可以是由已經冷卻的工作流體，尤其是蒸汽分流出的分流。在空腔內用來冷卻的冷卻流體通過熱傳導被加熱。當冷卻流體與驅動其中裝有渦輪機軸的渦輪機的工作流體相同時，可以使空腔成為中間過熱器。由此被中間加熱的冷卻流體可以作為工作流體在相應的位置處再被導回到渦輪機，尤其是蒸汽渦輪機中，或者通過一抽汽頭抽出。
對于雙向流渦輪機，尤其是中壓蒸汽渦輪機的渦輪機軸，所述進汽區域優選沿著主軸設置在渦輪機軸的中部。該進汽區域此外還用來分配所流入的驅動渦輪機的工作流體。該空腔沿徑向優選被深度車削而成并沿軸向位于第一組工作葉片之間。
在單向流渦輪機上，所述進汽區域位于渦輪機軸的端部，在此，按照本發明，所述導出通道穿過箱體，例如返回到蒸汽流域，更確切地說返回到第二凹槽的下游處。由此同樣可以保證在導入通道入口和導出通道出口之間的壓力和溫度差。導出通道也可以引導到一抽汽頭處，以使由空腔流出的冷卻流體直接由渦輪機中排出。所述渦輪機軸的端部優選設計成具有一加大直徑的活塞狀結構。該活塞結構具有一密封，用來密封渦輪機軸與渦輪機箱體之間的蒸汽流域。該空腔在此優選在第一組工作葉片所用凹槽與活塞結構之間形成。所述導出通道優選由空腔進入到活塞結構中并通至其密封區域。
所述導入和/或導出通道優選具有一盡可能沿軸向延伸的孔和一盡可能沿徑向延伸的孔。該徑向孔由軸表面進入渦輪機軸并轉入一由空腔沿軸向延伸的軸向孔中。所述導入和導出通道的直徑分別與蒸汽狀態相適應并適應于所期望的冷卻要求。空腔的大小相應地也要滿足冷卻效率的要求。
所述空腔最好通過一個相對于渦輪機軸軸線旋轉對稱的蓋板來封閉，該蓋板同時也可用來作為流體轉向元件。該蓋板最好與渦輪機軸熔焊連接，由此可靠地保證，冷卻流體和工作流體在進汽區域內相互分開。因混合所引起的流體損失由此可避免。冷卻流體在空腔內與撞擊在蓋板外表面上的熱工作流體，尤其是處于超臨界態的蒸汽沒有直接接觸。該蓋板作為熱傳導器，使渦輪機軸的熱量不僅通過蓋板而且通過空腔壁傳導給冷卻流體。
在進汽區域對熱工作流體進行冷卻的渦輪機軸尤其適合應用于蒸汽渦輪機，這種蒸汽渦輪機受超臨界態蒸汽驅動。該蒸汽渦輪機在此可以是一雙向流中壓渦輪機段或一單向流蒸汽渦輪機。該蒸汽渦輪機可以通過在第一組工作葉片后面輸入新汽被冷卻，從而保證渦輪機軸在550℃以上的高溫蒸汽狀態下也能安全運行。
對于安裝在渦輪機，尤其是蒸汽輪機上的渦輪機軸的進汽區域進行冷卻的方法，按照本發明是這樣來進行的，工作流體，尤其是超臨界態蒸汽在第一組工作葉片下游，作為冷卻流體流入與進汽區域相配的一空腔內，并從那里通過一導出通道從渦輪機軸中導出。由此使所流入的工作流體傳給渦輪機軸的熱量通過空腔壁傳給導入空腔內的冷卻流體，以保證渦輪機軸的冷卻。用來作為冷卻流體的工作流體分量在進汽區域第一壓力級上被取出并由渦輪機軸中導出到相對于第一壓力級更低的第二壓力級處。這種冷卻在設計上可以簡單地通過形成相應的，例如通過深度車削形成的空腔結構，并結合相應的導入和導出通道實現。由于形成空腔可能對渦輪機軸的熱機械性能所造成的影響更多地通過進行冷卻得到了補償。因此在進汽區域受到冷卻的渦輪機軸也特別適合于550℃以上高溫的超臨界蒸汽。
冷卻流體尤其適合在受蒸汽驅動作用的雙向流中壓汽輪機段上的第二組工作葉片(它處于第一組工作葉片更下游的地方)的下游，從渦輪機軸中導出。由于在導入通道的流入口與導出通道的流出口之間存在著壓力和溫度梯度，冷卻流體流過空腔無需強制措施就能得到保證。
在一單向流渦輪機中，尤其是一中壓汽輪機段上，冷卻流體由空腔經渦輪機軸的端部通過輸出通道輸入到包繞渦輪機軸的箱體中。在這里冷卻流體可以直接進入抽汽頭或在比第一組工作葉片處于更下游的第二組工作葉片的下游作為工作流體被導入箱體與渦輪機軸之間的蒸汽流中。因此由驅動渦輪機軸的蒸汽流所分出的蒸汽分流又重新可被利用，從而使渦輪機效率只受到微不足道的影響。此外，由于進入空腔的冷卻流體被加熱(因空腔起到中間過熱器的作用)，甚至同樣可以實現效率的提高。
驅動渦輪機軸的全部新汽體積流量的1％到4％，最好是1.5％到3％的蒸汽體積流量被導入空腔。有待導入空腔中用來冷卻的蒸汽量取決于各種參數，如蒸汽狀態，所用材料和蒸汽輪機設備的功率大小等。
下面借助附圖所示實施例對渦輪機軸及冷卻渦輪機軸的方法作進一步詳細說明。所示附圖均為簡圖且不成比例。
圖1為雙向流中壓汽輪機段的縱向截面的局部示圖，圖2為單向流中壓蒸汽輪機的縱向截面圖。
在圖1和圖2中相同的附圖標記具有相同的意義。
在圖1中示出一蒸汽輪機設備的一雙向流中壓汽輪機段15的部分縱向截面。在箱體19中裝有渦輪機軸1。該渦輪機軸1沿著主軸線2延伸并在中間部位10具有用于工作流體4a，尤其是處于超臨界狀態下的蒸汽的進汽區域3。該箱體19具有一與進汽區域3相配的蒸汽進口22，以使蒸汽流入箱體19與渦輪機軸1之間。蒸汽在進汽區域3被分成如圖中流體箭頭所示兩股分流。蒸汽輪機15在中間部位具有一優選深度車削出來的空腔7。這一空腔7在其對著蒸汽入口22的一側用一蓋11封閉，該蓋與渦輪機軸1熔焊在一起。該蓋11向蒸汽入口22方向拱起，由此來支持蒸汽4a被分成兩股蒸汽分流。在渦輪機軸1上沿軸向具有與進汽區域3相連通的相互間隔一定距離的凹槽5a和5b。這些凹槽5a和5b分別用來支承構成工作葉片組16和17的渦輪葉片6a和6b。為了使示圖更清晰明了，其它凹槽及其中安置的工作葉片沒有示出。在每個工作葉片組16和17的前面具有相應的位于箱體19上的導向葉片組21。在第一凹槽5a的下游，在圖1所示向右流動的蒸汽分量處，示出一基本上徑向延伸導入渦輪機軸1內部的穿孔14。該穿孔14轉入與空腔7相通的一軸向孔13中。這兩個穿孔14和13構成一導入通道8，該通道使軸表面12與空腔7流體動力學地連接起來。由此使蒸汽4的一部分沿著流動箭頭從第一工作葉片組16的下游流入空腔7內。由空腔7進入另一軸向孔13，這個孔在導入通道8對面的空腔7的側壁上進入渦輪機軸1。這個軸向孔13與另一基本上徑向延伸的穿孔14連通，這個穿孔與第二凹槽5b下游方的軸表面12相通。所述后兩個穿孔13和14形成導出通道9，通過這個通道蒸汽4b由空腔7被導回到在圖1中向左偏轉的蒸汽分流中。
在用蓋11封閉的空腔7里面，對用來作為冷卻流體的蒸汽4b進行中間過熱，由此除了實現對渦輪機軸1的冷卻外，可能還會提高蒸汽輪機15的效率。流經導入通道8，空腔7和導出通道9的蒸汽4的體積流量取決于有待排出的熱量，蒸汽輪機15的功率大小以及其它參數。它可能占全部新汽體積流量的1.5％到3％。必要時為了避免因空腔7的蒸汽通流量對位于進汽區域3處的左側和右側渦輪機葉片6a和6b造成非對稱負載，全部新汽應相應分配成左右兩股基本相等流量的分流。通過在進汽區域3對渦輪機軸1進行冷卻，該渦輪機軸的熱機械性能得到改善，從而即便在550℃以上的高溫負載下，也能保證渦輪機軸1的熱穩定性。
在圖2中示出單向流中壓蒸汽輪機15的縱向截面，為了視圖清晰明了，其中只示出主軸2的上半部分。蒸汽輪機15具有一箱體19，在箱體中渦輪機軸1沿著主軸2延伸。在端部18渦輪機軸1通過軸封24相對于箱體19密封。驅動渦輪機軸1的蒸汽4a通過蒸汽輪機15的蒸汽進口22被導入，并基本上沿著主軸2通過交變設置的工作葉片組16,17和導向葉片組21流向排出管23。位于端部18與第一組工作葉片16之間的進汽區域3與蒸汽進口22相連。在進汽區域3內，渦輪機軸1具有一通過蓋11相對進汽區域3封閉的空腔7。在第一工作葉片組16的下游，一導入通道8穿過渦輪軸1進入空腔7。一導出通道9由空腔7穿過渦輪軸1進到軸封24，又從那兒穿過箱體19到達一抽汽頭位置20。在第一組工作葉片16與抽汽頭位置20之間存在著一溫度和/或壓力差，使得蒸汽4b不需附加的強制措施就能夠通過導入通道8流進空腔7并從那兒通過導出通道9流向抽汽頭位置20。蒸汽4b通過壁，尤其是蓋11接受渦輪機軸1的熱量，因此起到冷卻渦輪機軸1的作用。通過接收熱量蒸汽4b在空腔7中被中間加熱，因此在必要時可以為提高效率繼續用于全部蒸汽循環。導入通道8和導出通道9在結構上可以簡單地設計成穿孔的形式。
本發明的出色之處在于其渦輪軸在高熱負荷進汽區域內具有一空腔，冷卻流體可輸入該空腔中，流入空腔中的冷卻流體最好由驅動渦輪機軸的全部蒸汽或燃氣流中分流出來。通過使空腔與具有不同壓力和/或溫度狀態的蒸汽或燃氣區域流體力學連接，始終無需別的強制措施就可保證流體流過空腔。通過空腔壁將熱量從渦輪機軸傳遞到冷卻用流體，尤其是水蒸汽中，由此能可靠地對渦輪機軸進行冷卻并對冷卻流體進行中間加熱。
權利要求
1．一種渦輪機軸(1)，其沿主軸線(2)延伸并具有一個工作流體(4a)流入區域(3)，和至少兩個沿軸向相互間隔一定距離并與流入區域(3)也間隔一定距離的分別用來支承一渦輪葉片(6a,6b)的凹槽(5a,5b)，以及一個與該流入區域(3)相匹配的空腔(7)，該空腔與作為冷卻流體(4b)的工作流體分流的一導入通道(8)和一導出通道(9)相連，其中，該導入通道(8)在第一凹槽(5a)下游與軸表面(12)相通，而該導出通道(9)在處于更下游位置的另一凹槽(5)的下游與軸表面(12)相通。
2．按照權利要求1所述的渦輪機軸(1)，其中，用于流體在主軸線(2)方向上分流的流入區域(3)設置在主軸線的中間部位(10)。
3．按照權利要求1或2所述的渦輪機軸(1)裝在一蒸汽輪機(15)上，尤其是一雙向流中壓渦輪機段上。
4．按照權利要求3所述的渦輪機軸(1)，其中，該導入通道(8)在第一組工作葉片(16)的下游與軸表面(12)相通，該導出通道(9)在設置于第一組工作葉片(16)下游的第二組工作葉片(17)的下游與軸表面(12)相通。
5．一種渦輪機軸(1)，其沿主軸線(2)延伸并裝在一蒸汽輪機，尤其是一單向流中壓汽輪機段的一箱體(19)內，該渦輪機軸(1)具有一個工作流體(4a)流入區域(3)，和至少兩個相互間以及與流入區域(3)之間沿軸向間隔一定距離的凹槽(5a,5b)，以分別用來支承至少一渦輪葉片(6a，6b),在軸上還有一與流入區域(3)相匹配的空腔(7)，該空腔與作為冷卻流體(4b)的工作流體分流的一導入通道(8)和一導出通道(9)相連，其中，該導入通道(8)在第一凹槽(5a)下游與軸表面(12)相通，該導出通道(9)通過渦輪機軸(1)的一端部(18)進入該箱體(19)并由此導入到另一處于更下游位置的凹槽(5b)的下游方。
6．按照權利要求5所述的渦輪機軸(1)，其中，所述導出通道(9)與設置于第一組工作葉片下游方的一抽汽頭(20)相連通。
7．按照上述任一項權利要求所述的渦輪機軸(1)，其中，所述空腔(7)通過一蓋(11)來封閉。
8．按照上述任一項權利要求所述的渦輪機軸(1)，其中，所述導入通道(8)和/或導出通道(9)具有一基本上沿軸向延伸的穿孔(13)和一基本上沿徑向延伸的穿孔(14)。
9．一種用于冷卻安裝在渦輪機，尤其是一蒸汽輪機(15)上的渦輪機軸(1)的流入區域(3)的冷卻方法，其中，在第一組工作葉片(16)下游的第一壓力級處從工作流體中分出一部分作為冷卻流體(4b)，流入一個與流入區域(3)相匹配的空腔(7)中，從那兒又通過一導出通道(9)從渦輪機軸(1)中在相對于第一壓力級更低的第二壓力級處導出。
10．按照權利要求9所述的方法，其中在蒸汽輪機上，作為冷卻流體(4b)導入空腔(7)的蒸汽體積流量為全部新汽體積流量的1％到4％，最好是1.5％到3％。
全文摘要
本發明涉及一種渦輪機軸(1),其具有用于流體(4a),尤其是蒸汽的流入區域(3),和至少兩個沿軸向相互間以及與該流入區域(3)之間間隔一定距離的凹槽(5a,5b),分別用于支承至少一個渦輪葉片(6a,6b)。在渦輪機軸(1)上還有一與流入區域(3)相匹配的空腔(7),該空腔與作為冷卻渦輪機軸(1)的流體(4b)的一導入通道(8)和一導出通道(9)相連通。本發明還涉及一種用于冷卻裝在蒸汽輪機(15)上的渦輪機軸(1)的流入區域(3)的冷卻方法。
文檔編號F01D3/02GK1217042SQ97194241
公開日1999年5月19日 申請日期1997年5月14日 優先權日1996年5月23日
發明者阿明·德羅斯德蔡克, 阿克塞爾·倫伯格, 厄恩斯特－埃里克·米勒 申請人:西門子公司