内冷却式汽轮机的透平轴以及冷却透平轴的方法

摘要

本发明涉及一种具有高压和中压汽轮机段(23、25)的汽轮机的透平轴(1)。透平轴(1)在其内部(4)具有一冷却导管(5)用于导引冷却蒸汽(6)。冷却导管(5)一端与流出管(7)连接,另一端与流入管(8)连接。因此,通过从高压汽轮机段(23)经流入管(8)将蒸汽(6)输往中压汽轮机段(25)并通过流出管(7),可以实现用蒸汽冷却透平轴(1)。本发明还涉及一种冷却汽轮机透平轴(1)的方法。

说明书

本发明涉及一种尤其用于安装高压和中压叶片的汽轮机透平轴以及一种冷却汽轮机透平轴的方法。

为了提高汽轮机效率采用压力和温度较高的蒸汽。采用这种蒸汽对有关的汽轮机提出了更高的要求。对于功率在若干个100MW范围内的汽轮机，适用一种包括高压和中压汽轮机段以及下游的低压汽轮机段的单线式汽轮机。必要时由多段组成的透平轴既安装高压工作叶片也安装中压工作叶片。每个汽轮机段可有一外壳体和一内壳体，它们分别例如沿水平面分开并用螺钉互相连接。称为高压蒸汽的新汽参数可以处于约170bar和540℃。在提高效率的过程中新汽参数力求达到270bar和600℃。高压蒸汽输入透平轴并流过高压叶片安装区直至出口接管。在这一过程中膨胀和冷却后的蒸汽可输入锅炉内并在那里重新加热。在高压汽轮机段末端处的蒸汽状态下文称为“冷的中间再热”，而离开锅炉后的蒸汽状态称为“热的中间再热”。从锅炉排出的蒸汽输入中压叶片安装区。蒸汽参数可处于30bar至50bar以及540℃，在这种情况下力求将蒸汽参数提高到约50bar至60bar和600℃。尤其在中压汽轮机段的蒸汽流入区内可以采取结构性措施，其中通过轴的屏蔽装置防止透平轴与蒸汽直接接触。

在DE 19531290A1中提供了一种热力涡轮机的转子，该涡轮机由装在轴上的压气机段、中间段和涡轮段组成。转子主要由各个互相焊接的旋转体组成，它们的几何形状导致在各相邻旋转体之间形成轴向对称的空腔。此转子有一个沿轴向定向从转子流入侧一端直达上游最后一个空腔的圆柱形空腔。在此圆柱形空腔内至少装有两根直径和长度彼此不同的管子。因此，此涡轮机的转子应能在最短时间内处于其运行状态并能易于热调节，也就是说可以用比较低的成本按要求加热或冷却。

US-PS 5054996涉及一种燃气轮机转子，它由一些借助于一根轴向的拉杆互相连接在一起的转子盘组成。空气通过燃气轮机转子导入，因此转子和转子盘基本上可以被均匀加热和冷却。

在日本N-303(1984.6.20，第8卷，No.132)有关日本专利申请JP-A-59-34402的摘要中介绍了一种汽轮机的透平轴。这种单一汽轮机的透平轴在其内部有一轴向孔，在中央引入冷却流体，冷却流体在孔的两端重新流出。

本发明的目的是提供一种汽轮机透平轴，它尤其能长期稳定地承受住局部产生的高工作热负荷。本发明另一个目的是提供一种冷却汽轮机透平轴的方法。

本发明有关汽轮机透平轴方面的目的是这样来实现的，透平轴沿旋转轴线定向以及有第一汽轮机段的第一叶片安装区、第二汽轮机段的第二叶片安装区、以及在它们之间有支承区、外表面和在内部的用于沿旋转轴线方向导引冷却蒸汽的冷却导管，其中，冷却导管一端与至少一根用于排出冷却蒸汽的流出管连接，另一端与至少一根用于流入冷却蒸汽的流入管连接。

通过在透平轴内部延伸的冷却导管，冷却蒸汽可沿旋转轴线方向流过透平轴并通过流出管导出。因此既可以从里向外冷却透平轴热负荷大的部位尤其是蒸汽流入区，也可以冷却外表面和工作叶片固定区。冷却导管可以相对于旋转轴线倾斜或相对于它曲折地延伸，在这些情况下它都能将冷却蒸汽沿旋转轴线方向输送。此外还可以实现固定在透平轴上的工作叶片，尤其是它们的叶根部分的冷却。不言而喻，视冷却导管的加工情况，流入管和流出管可设计为冷却导管的一部分。此外，显然可设一根以上的冷却导管，在这种情况下多根冷却导管互相连通并分别可与一根或多根流出管或流入管连通。还可以沿旋转轴线方向按可预定的间距相邻地设置流出管并使它们与冷却导管连通。因此热负荷大的轴段的冷却可以无需在管道、贯穿壳体以及透平调节方面付出高的费用的情况下完成。这种昂贵的结构性费用例如在借助于冷却蒸汽从外部穿过壳体和导向叶片直至透平轴来冷却透平轴时是必需的，以便直接冷却透平轴的外表面。

这种透平轴优选适用于包括高压和中压汽轮机段的单线汽轮机。在这里透平轴可由在支承区互相连接的两个透平轴段组成，其中每个透平轴段有一冷却导管，这些冷却导管在支承区内互相过渡连通。每个透平轴段或整个透平轴可用一锻件制造。由此可以用来自高压汽轮机段的蒸汽冷却尤其设计为双流道的中压汽轮机段热负荷高的蒸汽流入区。因为与高压段相比，在中压段内由于蒸汽压力较低，所以体积流量明显增大并因而需要比较大的轴直径和较长的叶片，所以在中压段中工作叶片叶根和透平轴的热机械负荷比高压段内的高。此外因为在高压段和中压段内分别处于类似的温度之下，所以透平轴的材料特征参数，例如持久强度和缺口冲击韧性同样是类似的，因此，由于中压段的热机械负荷较高，所以应认为中压段比高压段更关键。为解决这一问题，最好使中压段内的透平轴既能在其内部(尤其轴的中心)用冷却蒸汽冷却，也能在其外表面(尤其在工作叶片的叶根区内)用冷却蒸汽冷却。来自高压汽轮机段的蒸汽最好从排汽区或在两级之间通过径向孔引入轴的内部。冷却蒸汽借助于压力差通过钻空的高压与中压轴流入中压汽轮机段。尤其在中压汽轮机段为双流道式结构时，蒸汽最好在中压汽轮机段蒸汽流入区的透平轴盖板(轴屏蔽装置)下面从透平轴排出，并基于气膜冷却效应导致降低蒸汽流入区和第一级透平区内的透平轴温度。根据应用情况，冷却蒸汽也可以在沿轴向互相隔开间距的两个透平级之间流出，或利用来冷却尤其设计为至少局部空心的工作叶片。在高压汽轮机段的蒸汽出口区与中压汽轮机段蒸汽流入区之间的压差可例如在4bar与6bar之间。通过适当测量冷却导管的横截面可以调节蒸汽流量，使得即使处于汽轮机另一个功率范围内也能保证有足够的冷却功率。

在透平轴可支承在轴承内的支承区最好设隔热装置，以阻止径向热流。通过减少从冷却蒸汽到透平轴材料的热传导，避免轴承过热。在这里最好在冷却导管与透平轴材料之间设一空腔，它可以设计为环形间隙。在此空腔内存在一种流体，最好是冷却蒸汽，它导致隔热并因而阻止由于流过冷却导管的冷却蒸汽与透平轴强迫对流引起的强烈热传导。冷却导管在支承区内最好设一隔热管，它被空腔围绕。隔热管最好有一个通空腔的口。通过此口，尤其是孔，在空腔与冷却导管之间达到压力平衡，从而防止在汽轮机稳定运行时产生的冷却蒸汽高压使隔热管变形。

第二叶片区最好设计为双流道结构形式并用于安装中压叶片。这种透平轴使用在包括高压汽轮机段和双流道中压汽轮机段的汽轮机中。也可以将第二叶片区设计为单流道结构形式，透平轴在这种情况下最好使用于具有单流道中压汽轮机段的汽轮机中。流出管最好通入中压工作叶片的蒸汽流入区，尤其是通入透平轴的轴屏蔽区域内。

冷却导管最好是一个基本上平行于旋转轴线的孔，尤其是一个中心孔。设计为孔的冷却导管也能事后特别简单和准确地在透平轴内加工。对于组合式的透平轴，最好在透平轴的各段内加工出一个直径相等的中心孔，所以当透平轴各段组合时构成了具有同样直径的单一冷却导管。流入管最好与流出管一样将外表面与冷却导管连接起来。因此冷却蒸汽，尤其是高压汽轮机段的蒸汽，可以从透平轴一个端部处的外表面通过透平轴内部流入第二叶片安装区的蒸汽流入区内。这尤其在单线式高压及中压透平轴的情况下是比较有利的，因为这样一来蒸汽可从高压汽轮机段的蒸汽出口区流入中压汽轮机段的蒸汽流入区中。流入管和/或流出管最好是基本上沿径向的孔。这样的钻孔也可以方便地在透平轴制造后完成，在这种情况下一个这样的孔可以与一个设计为轴向孔的冷却导管精确地连接。用作流入管和流出管的孔的直径和多个孔的数量取决于用于冷却的蒸汽量。

透平轴最好有一些用于安装透平工作叶片的槽，流出管最好通入其中一个槽内。在这里也可以在透平工作叶片的叶片冷却导管内引入用于冷却的冷却蒸汽。用于安装透平工作叶片的槽可以设计得比该工作叶片的叶根大一些，从而在该叶根与透平轴之间形成一个腔，用于冷却叶根的蒸汽可以流入此腔内。此腔也可以通过通道构成，这些通道互相连通和/或与流出管互相连通。从一个流出管通入其中的槽最好引出一条通往透平轴外表面的支线。因此，除了冷却叶根外还附加地冷却外表面并因而达到从外部冷却透平轴。同样可能的是流出管通往在沿轴向彼此隔开间距的槽之间的外表面。在第二叶片安装区的双流道式结构中，流出管最好通入由轴屏蔽装置构成的空腔内，在这种情况下轴屏蔽装置用作流入的蒸汽在两个流道中的流量分配器。对中压汽轮机段的第一工作叶片排，尤其是对其叶根及其叶身最好进行冷却。借助于流到轴表面处的流出管和/或支线，还可以实现对轴表面，尤其是离蒸汽流入区最近处的透平叶片(第一级透平)区域内的轴表面的气膜冷却。

流入管最好将高压汽轮机段的蒸汽出口区与冷却导管连接起来，因此蒸汽可从那里通过透平轴的内部流入中压汽轮机段。也可以将流入管从第一叶片安装区两个沿轴向彼此隔开间距的工作叶片排之间的外表面引入冷却导管内。

为达到针对冷却汽轮机透平轴的方法提出的目的，所采取的措施是，在带有安装高压工作叶片的第一叶片安装区和安装中压工作叶片的双流道第二叶片安装区的透平轴中，蒸汽从第一叶片安装区的蒸汽区通过透平轴内部途径支承区流向第二叶片安装区。可通过适当地确定尤其设计成孔的冷却导管的尺寸，调节透平轴内部的蒸汽流，使得即使对于另一个功率范围也能保证透平轴的充分冷却。因为在汽轮机的部分负荷范围内，在高压汽轮机段与中压汽轮机段之间存在压差，所以保证即便在部分负荷范围内此冷却方法仍然能无可指摘地适用。通过一个设计为轴向孔且最好是中心孔的冷却导管，在透平轴内部的切向应力与没有孔的透平轴相比可能提高到约两倍。但透平轴可能存在的这种较大的应力通过对透平轴内部冷却而明显改善了材料性质却能得到更多的补偿。此方法也适用于由至少两段透平轴(透平轴段)组成的透平轴，在这种情况下这些透平轴段在支承区互相连接。

下面借助于附图所示实施例进一步说明透平轴和冷却透平轴的方法，附图中：

图1示出具有一高压和中压汽轮机段及透平轴的汽轮机的纵剖面；

图2示出在中压汽轮机段蒸汽流入区内的透平轴的局部；

图3示出在支承区内的透平轴的局部。

图1中示出汽轮机23、25，它具有一根沿旋转轴线2延伸的透平轴1。该汽轮机具有一高压汽轮机段23和一中压汽轮机段25，它们各有一个内壳体21和一个围绕内壳体的外壳体22。高压汽轮机段23设计为罐形结构。中压汽轮机段25设计为双流道结构。也可以将中压汽轮机段25设计为单向流结构。沿旋转轴线2在高压汽轮机段23与中压汽轮机段25之间设有一轴承29b，在轴承29b内的透平轴1具有一支承区32。透平轴1还支承在高压汽轮机段23旁的另一个轴承29a内。在此轴承29a的区域内，高压汽轮机段23具有轴密封装置24。透平轴1相对于中压汽轮机段25的外壳体22借助另外两个轴密封装置24密封。在高压蒸汽流入区27与蒸汽出口区16之间，透平轴1在高压汽轮机段23内具有高压工作叶片装置11、13。此高压工作叶片装置11、13与所属的没有详细表示的工作叶片一起共同构成第一叶片安装区30。中压汽轮机段25具有一中央蒸汽流入区15。配属于蒸汽流入区15，透平轴1具有一个径向对称的轴屏蔽装置9，即盖板，它一方面用于将蒸汽流分配到中压汽轮机段25的两个流道内，另一方面用于防止热蒸汽与透平轴1直接接触。透平轴1在中压汽轮机段25中具有包括中压工作叶片11、14的第二叶片安装区31。通过第二叶片安装区31流动的热蒸汽从中压汽轮机段25的流出接管26流出，去往按流动方向处于下游的图中未表示的低压汽轮机段。

透平轴1由两个透平轴段1a和1b组成，它们在轴承29b的区域内互相牢固连接。每个透平轴段1a、1b具有一个设计为沿旋转轴线2延伸的中心孔5的冷却导管5。冷却导管5通过具有径向孔8a的流入管8与蒸汽出口区16连通。在中压汽轮机段25中，冷却导管5与在轴屏蔽装置9下面的一个没有进一步表示的空腔连通。流入管8设计为径向孔8a，因此“冷的”蒸汽可从高压汽轮机段23流入中心孔5。穿过支承区32的蒸汽通过也设计为沿径向定向的孔7a的流出管7进入中压汽轮机段25，并从那里到达在蒸汽流入区15内的透平轴1外表面3。由于冷却导管5流动的蒸汽6的温度明显低于流入蒸汽流入区15中的中间再热蒸汽的温度，从而有效地保证冷却中压汽轮机段25的第一工作叶片排14以及在此工作叶片排14区域内的外表面3。

图2比例放大地表示中压汽轮机段25蒸汽流入区15的局部。在透平轴1的槽10内分别通过它们各自的叶根18安装了有关的工作叶片11、14。槽10分别具有一个围绕着叶根18的通道20，这些通道20一方面与相对于旋转轴线2沿径向延伸的流出管7连通，另一方面分别与一支线12连通。支线12从槽10引向外表面3并与汽轮机的导向叶片19相对。从流出管7流出的蒸汽6进入槽10的通道20，并因而冷却装在相关槽内的叶根18。蒸汽6从通道20通过有关的支线12流到透平轴1的外表面3上，并因而还冷却沿旋转轴线2方向彼此相邻的工作叶片11之间的外表面3。当工作叶片11有叶片冷却导管38时，蒸汽6同样通过此叶片冷却导管38流动并从里向外冷却此工作叶片11。在一个工作叶片11中示意表示了这种情况。

图3示出高压汽轮机段23透平轴段1b的支承区32局部。在支承区32内，冷却导管5沿一预定的轴向长度扩大为较大的直径。在如此扩大后的冷却导管5内装入一个包括隔热管36的隔热装置33。隔热管36的内径与未扩大的冷却导管5的直径一致。隔热管36的外径比冷却导管5增大的直径小，所以在隔热管36与透平轴材料35之间留下一个空腔34，尤其是一个环形间隙34。隔热管36有通向空腔34的孔37。在透平轴1工作时空腔34内充填有冷却蒸汽6，它在透平轴材料35与持续地通过冷却导管5流动的冷却蒸汽6之间起隔热的作用。由此保证在透平轴1工作期间轴承29b的加热保持处于低水平。

本发明的出色之处在于这种透平轴具有冷却导管，至少一根流入管通过该冷却导管与高压汽轮机段连接以及至少通过一根流出管与中压汽轮机段的蒸汽流入区连接。流入管、冷却导管以及流出管构成一个在透平轴内部的导管系统，“冷的”蒸汽可通过该系统从高压汽轮机段流向中压汽轮机段热机械负荷高的蒸汽流入区。因此，无需昂贵的结构性费用便可实现既冷却工作叶片，尤其是工作叶片的叶根，又冷却在尤其设计为双流道结构的中压汽轮机段中负荷特别高的蒸汽流入区内的透平轴外表面。在高压汽轮机段与中压汽轮机段之间的支承区内，在透平轴的内部设隔热装置，由此避免透平轴轴承过热。