汽轮机及其转子和主动冷却该转子的方法及该方法的应用的制作方法

专利名称：汽轮机及其转子和主动冷却该转子的方法及该方法的应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种汽轮机转子，它沿轴向延伸并具有一个外侧，该外侧构成一外腔的边界，该外腔用于容纳一种流动工质的主流；以及沿外侧的第一位置，在该位置上固定有第一叶片组。本发明还涉及一种汽轮机。此外，本发明也涉及一种主动冷却所述类型的汽轮机转子的方法。
背景技术：
在向汽轮机充入热蒸汽时，为了提高能达到的蒸汽温度，人们致力于有针对性地冷却那些承受高负荷的构件。这包括实现热屏蔽(如果可能的话)以及通过相应设计的冷却装置进行散热。在本申请的范围内，汽轮机指的是任何被蒸汽形式的工质流过的透平或分透平(透平段)。与之不同，燃气轮机作为工质流过的是燃气和/或空气，这种工质与在汽轮机中的蒸汽相比处于完全不同的温度和压力条件之下。与燃气轮机相反，在汽轮机中例如流入一个汽轮机分透平中的工质在具有最高温度的同时具有最大压力。也就是说，一个开式冷却系统不可能在没有汽轮机分透平外部的冷却剂供给装置的情况下实现。因此，例如已公知的仅适用于燃气轮机的那些冷却措施业已证明不能移植到汽轮机上。
汽轮机罩壳主要指汽轮机或汽轮机分透平固定的罩壳构件，它沿汽轮机的轴向尺寸有一内腔，它规定用于流过工质蒸汽。根据汽轮机类型，这可以是一个内壳和/或导向叶片支架。汽轮机罩壳也可以是一个没有内壳或导向叶片支架的透平罩壳。
在此内腔中，沿轴向尺寸可旋转地安装一个装有叶片的转子。这样，当加热并处于一定压力下的蒸汽流过内腔时，蒸汽通过叶片使转子旋转。转子上的叶片也称为工作叶片。此外，汽轮机有固定的导向叶片，它们处于转子叶片之间的空档内并通过内壳/导向叶片支架固定。工作叶片通常沿汽轮机转子的外侧固定。在此，该叶片一般是一个工作叶片环的组成部分，该工作叶片环包括一定数量的工作叶片，它们沿外圆周排列设置在汽轮机转子的外侧上。每个工作叶片有沿径向向外延伸的叶身。工作叶片环又称工作叶片组。通常一定数量的工作叶片组前后串联。相应地，在沿轴向位于第一位置后面的第二位置处，在汽轮机转子外侧上固定有另一个第二叶片环。
在迄今已知的尤其用于汽轮机转子的冷却方法中，分为主动冷却和被动冷却。在主动冷却时，冷却通过一种单独的、亦即除工质外另外供给汽轮机转子的冷却剂实现。反之，被动冷却仅通过恰当地导引或利用主流内的工质进行。汽轮机转子常用的冷却限于被动冷却。
由US 6102654和WO 97/49901则已知用已膨胀的较冷蒸汽流过汽轮机的转子。在这里，冷却剂通过一个基本上在中央的空腔沿转子内壁流动，然后从那里经单独的径向支路向外，尤其向罩壳要冷却的区域输送。由于将中央空腔和支路设在构件最大负荷的位置，导致转子严重的强度缺陷。这样做的另一个缺点是，必须限制在转子壁上的温差，因为要不然在温差过大时转子会严重地热变形。由于这些原因，这样一种设计方案迄今没有得到广泛使用。尽管在流过转子时发生散热，然而这种散热是在离加热的位置比较远的地方进行的。紧邻加热处的散热迄今未以足够的程度实现。
另一种被动冷却可借助恰当地导引和利用膨胀的工质蒸汽达到。在这里，流入汽轮机的蒸汽在它进汽冲击旋转构件之前首先只通过固定的部分，例如导向叶片环或径向作用的导向叶片膨胀。蒸汽在此过程经受一次约在10K范围内的冷却。借此当然只能在转子上达到一种非常有限的冷却效果。
在US 6102654中仅在一个非常有限的范围实施对于汽轮机转子的主动冷却，并且该主动冷却仅限于热工质的入流区。从本申请的图1中可看到，按照US 6102654所述，冷却剂穿过罩壳后被导向防护板和第一导向叶片环，以减小转子和第一导向叶片环的温度负荷。冷却剂中的一部分被搀入工质内。除了限于仅仅冷却入流区之外，所述冷却仅通过流入要冷却的部件实现。由此可达到的对转子的冷却效果是有限的，因为冷却效果仅限于主流的入流区。
由WO 97/49901已知，通过选择在转子内的一个由中央空腔供给的各单独径向通道来冷却各个导向叶片环。为此，冷却剂经此径向通道搀入工质并按选择流向有待通过冷却剂冷却的导向叶片环。在这里，对转子的冷却效果值得改善。此外，与无孔的设计相比，为形成径向通道在转子上开设钻孔会不利地导致转子内的应力明显增大。
在EP 1154123中说明了从蒸汽系统另一些区域提取和导引冷却剂并将该冷却剂供给工质入流区的可能性。
为了在用矿物燃料发电时达到更高的效率，要求在透平中采用与迄今常用的相比为更高的蒸汽参数，亦即更高的压力和温度。其中，对于作为工质的蒸汽，规定压力要高于250bar以及温度要高于540℃。在期刊VGBKraftwerkstechnik第73(1993)号第5册H.G.Neft和G.Franconville的论文“Neue Dampfturbinenkonzepte für hhere Eintritts-parameter und lngereEndschaufeln(用于具有更高的入口参数和更长的末级透平叶片的蒸汽轮机的设计方案)”中详细说明了这些蒸汽参数。论文公开的内容吸收在本申请的说明书中。尤其例如在此论文的图13中列举了更高的蒸汽参数。在这篇论文中，为了改进对于汽轮机转子的冷却，建议供入冷却蒸汽和进一步导引该冷却蒸汽通过第一导向叶片组和必要时也通过第二导向叶片组。因此仅仅为汽轮机罩壳提供了一种主动冷却。此外这种主动冷却也仅限于工质的主流区并因而还值得加以改进。
因此，迄今已知的所有针对汽轮机转子的冷却方法，就涉及主动冷却方法而言，至多规定有针对性地使冷却流体流到一个单独的且有待冷却的透平部分并限于工质的入流区。在用更高的蒸汽参数向普通的蒸汽轮机加载时，这会导致作用在整个透平上更高的热负荷，通过上述对于转子的一般冷却这种热负荷只能不充分地减少。为了达到更高的效率例如需以更高的蒸汽参数工作的蒸汽轮机，必须更好地予以冷却，尤其是其转子需得到冷却，以便以足够的程度降低汽轮机更高的热负荷。在这方面存在的问题是，在使用迄今常用的透平材料时，由更高的蒸汽参数给转子带来的更大负载会导致转子上产生有害的热负荷，并进而导致转子温度出现不允许的增高。

发明内容
因此本发明要解决的技术问题是提供一种设备和一种方法以及一种应用，它们保证尤其在用更高的蒸汽参数和常用的透平材料运行时汽轮机转子能得到充分冷却。
上述技术问题首先通过一种汽轮机转子来解决，它沿轴向延伸并具有一个外侧，该外侧构成用于容纳一种流动工质主流的一外腔的边界，沿该外侧设有第一位置，在该位置上固定有第一叶片，按照本发明，该转子具有至少一个集成在其内部的通道，该通道至少在一个设在第一位置前的第一区和一个设在第一位置后的第二区之间连续延伸。
本发明考虑问题的出发点是，为了对汽轮机转子进行充分冷却，应在汽轮机转子内部采取一种超过并跨越工质入流区和第一级叶片的主动冷却。本发明的认识是，这一点可通过采用组合在转子内的至少超越一级叶片的连续通道来达到。这就创造了主动冷却装有工作叶片的转子的大部分或全部的可能性。这一受到主动冷却的转子部分肯定超越入流区并至少超越第一级叶片。比较有利的是，这一转子部分跨越至少两个叶片级，更有利地跨越更多级工作叶片。由此创造了这样的可能性，即，借助一个集成在转子中并相贯通连接的通道系统连续导引一种冷却流体。
这样做有突出的优点，即，使汽轮机转子的冷却不仅沿至少一个，更有利地是沿更多个叶片级连续进行，也就是至少在设在第一位置前的第一区与设在第一位置后的第二区之间连续进行，而且还有这样的优点散热在紧邻加热处，亦即在其表面附近进行。以此方式改善了一般汽轮机的冷却，使得汽轮机可以用更低成本的材料来制成。此外，所建议的冷却方案允许设计具有更高进汽参数的新型汽轮机，尤其是其最高进汽参数例如其进口温度可高于500℃的新型汽轮机。这样的蒸汽参数例如可以在上面提及的H.G.Neft和G.Franconville的论文“Neue Dampfturbinenkonzepte für hhereEintrittsparameter und lngere Endschaufeln”中找到。作为范例，作为工质的蒸汽的蒸汽参数例如约为250bar与545℃或约300bar和600℃。
本发明有利的进一步发展可由有关汽轮机转子的从属权利要求中得知，并由此具体说明了一些有利的可能性和所建议的转子在已提及的和其他优点方面具体的进一步发展。
一项特别优选的进一步设计在于沿外侧设有第二位置，在该位置上固定有第二个叶片组，其中该第二位置沿轴向设在第一位置之后，以及所述通道至少在一个设在第一位置前的第一区与一个设在第二位置后的第二区之间连续延伸。也可以在第一位置与第二位置之间设一定数量的分别固定有一个叶片组的其他位置。尤其是，所述至少一个通道按有利的方式是一个相贯通连接的通道系统的组成部分，此通道系统沿汽轮机转子的轴向尺寸延伸。这就创造了平行于工质主流导引冷却蒸汽的可能性。尽可能沿整个转子实现对多个叶片级的冷却。根据不同的要求和需要可以灵活地设计该通道系统。所述至少一个通道可以按更有利的方式在设在第一叶片环前的第一区与设在最后的叶片环后的第二区之间连续延伸。然而一个通道系统也可以由一些分系统组成。在这里可以附加地或作为替换设一定数量的第一通道，它们分别沿轴向超越唯一一个或多个叶片级延伸。它们可以通过另一些第二通道与一个通道系统连接，这些第二通道沿径向或其他任意方向定向。所述至少一个第一通道或一定数量的第一通道有利地设在表面附近。另一些第二通道也可以在转子内任意延伸，或从转子表面导出。
比较有利的是设置一开式冷却系统，它可提供使冷却剂的参数与工质参数相匹配的可能性。详细情况借助所建议的方法在以后说明。
与燃气轮机中的工质不同，流入汽轮机中的工质具有最高的温度以及与此同时也有最高的压力。因此，在汽轮机转子中的所述至少一个通道有利地是一个相贯通连接的通道系统的组成部分，此通道系统有一个用于冷却剂流入的外部输入装置。这创造了这样的可能性，即，使冷却剂以至少比工质略高的压力供入通道。这一点有利地可这样达到从水汽循环中的一个压力较高和温度足够低的位置提取冷却剂。
下面介绍通道系统另一些有利的设计，按所建议的方案，所述至少一个通道是通道系统的组成部分。这样一个通道系统有利地设在汽轮机转子外侧的表面附近。表面附近在本文中主要意味着该通道系统、特别是所述至少一个通道设在汽轮机转子沿径向的一个区域内，这一区域一方面以转子外侧以及另一方面以工作叶片固定槽的内部径向尺寸为界。所述至少一个通道和/或该通道系统的任意另一个通道，在这里可根据需要有利地设计为在转子内部、优选在转子表面附近的一个通道或任意类型的空腔。这就有可能在加热的地点进一步改善散热。因此，所建议的在上述汽轮机转子内部的冷却方案，比在转子壁内侧邻近转子旋转轴线的中央空腔附近实施的冷却更加有效。此外，获得了在汽轮机转子变形特性方面的优点。所建议的冷却方案还强化了对于转子和叶片上隔热层的利用。这种隔热涂层有比较小的导热系数，并且在存在足够散热的前提条件下能建立一种大的温差。因此，转子、叶根以及包括部分叶身与没有隔热层的情况相比可保持为一个低得多的温度。作为采用隔热层的替代措施或与之相结合的措施，可在使用所建议的冷却方案的情况下合理地采用导热不是太好的叶片材料。对此的一种优选例子例如是奥氏体材料。
一个相贯通连接的通道系统比较有利地具有一个沿转子周向至少部分环绕的通道。它与所述至少一个轴向延伸通道一起，便可以实现汽轮机转子整个圆周面、优选在其外侧附近的冷却。
比较有利的是，所述冷却剂的参数根据工质参数由一个开式冷却系统来逐级调整。为此有利地令第一区有一个去往工质主流的第一孔。也比较有利的是，第二区也有一个去往主流的第二孔。由此可以冷却多级叶片，其中，冷却剂总是有与主流相近的压力，从而有利地努力使压差负荷最小化。
所述至少一个通道可以作为孔、槽或以其他恰当的方式集成在转子内。此外，业已证实特别有利的是，该转子外侧由一个旋转的屏蔽板构成。这就可以使汽轮机转子在被冷却的叶片区内有利地完全与工质主流隔离。这在转子材料的氧化方面有突出的优点。旋转的屏蔽板可有利地通过叶片组，尤其通过叶根固定。
所述至少一个通道可以按需要设计。例如业已证明有利的是，该通道穿过叶片，尤其穿过叶根导引。在这里，在叶根上的槽可以是通道的一部分。必要时，一个仅仅穿过唯一一个叶根或穿过两个相邻叶根的穿孔，可以是所述通道的组成部分。此外业已证实有利的是在叶身中设一通道，它与上述通道互相连通。以此方式可例如通过气膜冷却有利地冷却工作叶片的叶身区。
本发明还涉及一种汽轮机，它带有一个按上述建议方案或其改进方案的汽轮机转子。
上述有关方法方面的技术问题通过本发明的一种用于主动冷却上述类型汽轮机转子的方法来解决，按本发明，一种流动的冷却剂沿轴向至少在设在第一位置前的第一区与设在第一位置后的第二区之间被连续导引。
按本发明方法的一项进一步设计，汽轮机转子有沿外侧的第二位置，在该位置上固定有第二叶片组，其中，沿轴向该第二位置设在第一位置之后，以及，流动的冷却剂至少在一个设在第一位置前的第一区与设在第二位置后的第二区之间连续导引。在这里业已证实特别有利的是，冷却剂在一个相贯通连接的通道系统内沿轴向经第一位置和第二位置以及经一定数量的处于它们之间的其他位置导引，在这些其他位置上也分别固定有一个叶片组。
因为流入汽轮机的工质在有最高温度的同时还有最高的压力，所以特别有利的是，冷却剂从外部供给汽轮机转子。在这种情况下，冷却剂的压力有利地超过主流中的工质压力。
业已证实特别有利的是，冷却剂在一定压力下导引，该压力根据主流的压力进行调节，且尤其是通过对冷却剂节流来调节。这一扩展设计可以实现一种适应更高蒸汽参数的开式冷却系统的设计。为了与主流压力匹配对冷却剂实行的节流，按有利的设计，通过适当设计所述至少一个通道并优选与去往主流的开孔相结合地逐级进行。
此外有利的是供给具有一定温度和/或一定量的冷却剂，该冷却剂的温度和/或冷却剂量根据主流的温度来调节。这可以有利地借助一个满足安全技术方面要求的附件调整，该附件按控制技术跟踪透平阀的快速关闭和伺服过程。该冷却剂的温度可按安全技术的要求有利地予以确定和按控制技术受到监测。必要时在低负荷的情况下可以将超比例的冷却剂量加入通道系统内。这样，在经冷却的叶片区后，工质主流的温度通过被强烈搀入冷却剂而保持足够低。
在冷却剂不足时，透平的运行必要时可借助一定数量的透平阀中断，这也称为快速关闭。
上述供入冷却剂并将其导入组合在转子内、且比较有利地在其表面附近的通道系统中的方案，可按照不同的要求来设计和调整。
本发明所建议的方案按本发明还可应用于透平的起动和/或快速冷却。
按特别有利的设计，所述转子和/或透平叶片上设有隔热层。这种隔热层通常有比较小的导热系数，并在当地提供恰当散热的前提条件下可以建立一种大的温差。散热功能可借助本发明现在所设的冷却系统承担。所以按照本发明设计的转子特别适合采用隔热层。在这种情况下，转子、叶根和可能还有叶身，与没有此类隔热层相比，可保持为低得多的温度。作为采用隔热层的替换方式或与其相结合的措施，也可以采用导热较差的叶片材料，例如奥氏体材料。


现在下面借助一些附图与同样用附图表示的先有技术相比较说明本发明的一些实施方式。这些附图没有以必要的方式按比例表示，确切地说，用于说明的附图以示意和/或略有失真的形式完成。有关于可从附图直接看出的那些内容的补充可参见有关的先有技术。在这里应考虑到，可在不偏离本发明总思路的情况下，在图示实施方式的形式和细节方面作多种多样的修改和变化。
重要的是，在本说明书及其附图中以及在权利要求内公开的本发明的各项特征，既可以单个地也可以任意组合地用于本发明的设计。本发明的总体思路既不限于下面表示和说明的优选实施方式的具体形式或细节，也不限于一种与权利要求书中所要求保护的对象相比受到更多限制的保护对象。
本发明的优选实施形式结合一种冷却系统来说明，该冷却系统提供压力调节的冷却蒸汽质量流量，它可以有针对性地冷却旋转构件、亦即转子及工作叶片。因此，在这里所建议的优选实施形式可以对低成本、高技术地实现更高蒸汽参数和更高效率作出重要贡献。此外，下面所说明的或与之不同及经修改的本发明实施形式可同样被利用于，在目前的蒸汽参数条件下使用成本较低的转子及叶片材料。
附图中图1表示一种已知的汽轮机转子冷却方案，它限于冷却工质入流区；图2表示在汽轮机转子中按照本发明冷却方案的一种优选实施形式的示意图；图3表示在该优选实施形式中将冷却剂供给和导入在叶片区内的一个集成在转子内且靠近其表面的通道系统中的视图；图4表示在图3的通道系统中沿剖面A-A的详图；图5表示在图3的通道系统中沿剖面B-B的详图；图6表示在图3的通道系统修改后的设计中沿剖面B-B的详图；图7表示按优选实施形式将冷却剂传输到工作叶片固定区内的一种可能性示意图；图8表示按优选实施形式将冷却剂传输到工作叶片固定区内的另一种可能性示意图；
图9表示用于在工作叶片区内导引冷却剂的通道系统的另一种设计结构图；图10表示用于在工作叶片区内导引冷却剂的通道系统的又一种设计结构图；图11表示屏蔽板在搭接区内的设计结构图。
具体实施例方式
目前已知的汽轮机转子基本上都制成整体转子并且完全没有主动冷却系统。但在按US 6102654的先有技术中，如图1所示，介绍了一种汽轮机1，它有一个限于冷却入流区的主动冷却系统。该汽轮机有一个可旋转地装在轴2上的转子3，在其转子轴上装有一定数量的转子叶片4。它们设置在一个固定的设有导向叶片6的罩壳5内。转子3借助转子叶片4被流入入流区7内的工质8推动。除工质8外，冷却剂10通过一单独的进口区9流入工质8。在此过程中冷却剂10通过入流仅冷却固定的第一导向叶片环11以及屏蔽板12。由此降低转子3和第一导向叶片环11的热负荷。此外，冷却流体10通过一汽封管13从冷却流体10的进口区9越过第一导向叶片环11导向一区域14，该区域直接位于罩壳5与第一转子叶片15之间。由此使冷却流体10进口腔9相对于工质8密封。该通道13本身设计为汽封管，它不起冷却管的作用。
在冷却转子3时，冷却蒸汽10a通过一单独的支线16a输入一个基本上在中央的平行于转子轴延伸的空腔16b。这种冷却蒸汽10a从那里还通过单独的径向支线16重新向外导引。因此，冷却蒸汽10a重新输入在区域16c内的主流，以便在此位置冷却转子。也就是说，冷却剂10a在入流区7以及在中央空腔16b内基本上绕流转子3。在这里没有提供对转子本身的有效冷却，因为冷却剂在中央空腔16b内的导引远离转子表面进行，并因而不是在受热的地方进行。单独的通道16a、16b设计为用于冷却转子规定位置的支线以及同样不能导致转子3的有效冷却，因为它们沿径向从中央空腔16b向主流的一个区域延伸。在这里表示的按先有技术进行的转子冷却还值得加以改善，因为它没有提供表面附近的冷却。此外由于此中央空腔产生比较大的转子应力，并且附加地还进一步由于加工支线而导致加工费用增大。此外，该方案没有给转子轴提供足够的相对于蒸汽主流的屏蔽。
图2表示按一个特别优选实施形式的汽轮机20的示意图。该汽轮机20具有一个包括一定数量转子叶片24的转子21。它可旋转地支承在包括一定数量导向叶片22的罩壳23内。带有转子21和罩壳23的透平20沿轴向尺寸25延伸。在这里，可旋转的转子叶片24如图所示插入固定的导向叶片22之间的空档内。
图示转子21具有一个外侧26a。该外侧26a构成一外腔27a的边界，该外腔用于容纳流动工质的主流27。转子在外侧26a上有一些位置，在这些位置上分别固定有一个工作叶片组24。按此特别优选的实施形式，一个用于导引冷却剂的通道系统28，从第一区28a沿这些用于工作叶片24的位置一直连续延伸到第二区28b。
所述通道系统28沿轴向25具有一些去往主流27的孔29。它们与通道系统的通孔配合作用，用于平行于工质主流27逐级降低冷却剂的压力。从一个工作叶片24级到另一个工作叶片级，冷却剂在这里可优选通过流动阻力节流。为此恰当的是，例如分别在一个工作叶片级24处令冷却剂通过一个孔来节流。由此可在无需完成技术性工作的情况下减小压力。所述冷却剂在压力相近和温度较低时与主流内的流动介质相比有较大的密度，并由此具有更好的热传导特性。通过节流和提高温度造成的冷却剂体积增大有利地可采取如下措施补偿，即，逐渐将一部分冷却剂通过开孔29排放到主流中。由此也实现冷却剂压力与主流压力的良好匹配。因此，在这里所说明的实施形式是一种开式的冷却系统。
原则上在汽轮机转子优选的实施形式中也可以采用一个在这里没有表示的设计为闭式冷却系统的冷却系统方案。尽管这会带来一些缺点，但根据需要(如果期望的话)这些缺点可以忍受。在闭式冷却系统中，不实施将冷却剂排出到主流27内，或这仅在被冷却区域的末端进行。也就是说，在这种情况下基本上取消图2所示开式系统的开孔29。冷却剂仅从第一区28a导向第二区28b，在此过程不进行与主流压力的直接匹配。逐级地降压同样可以通过节流进行。冷却剂向主流的输出肯定不在各叶片级24处进行。因此在闭式冷却系统中冷却剂向主流27的输出可以例如根本不进行，而只是在端部区域28b或只是在叶片级24数量减得很少的情况下进行。因此，在通道系统中的压力只是间接地与主流匹配。在这种情况下不利的是，在闭式冷却系统中冷却剂所需要的流通截面由于温度的升高和压力的下降随通道系统的延伸明显增大。其结果是导致叶根和/或转子的承力横截面不希望地减小，因为将通道系统28设计为闭式通道系统，其横截面从第一区28a向第二区28b的方向必须逐渐增大，以顾及体积流量的增加。尽管这与在转子和叶片固定区内的强度要求背道而驰，但可以加以补偿。若冷却剂在完成冷却任务后例如基于压力和温度参数差别过大不能输入工质，则冷却剂在区域28b内需与工质分开地从转子21导出。在借助一个闭式系统冷却多个叶片级24时，若不存在图2中的开孔29，则根据所涉及的工质膨胀作功区段的大小，在主流27中流动的工作介质与闭式通道系统内冷却剂之间会形成高的压力差。视所选择的具体冷却剂压力而定，这一高压力差可能会表现出较差冷却效果的特征，或者在冷却剂压力高的情况下可能会导致构件承受比较大的压差负荷。当冷却剂密度小时，它具有较低的热容量，并因而导致较差的热传导。尽管如此，该闭式系统仍属于主动冷却系统，与被动冷却相比，或与仅有限地在转子入流区内的主动冷却相比，它能显著改善汽轮机转子21的冷却。
所述开式通道系统28具有一个在表面附近的连续通道，从该通道朝开孔29的方向弯出多条支线。此外，在这里所表示的实施形式还是一种相贯通连接的通道系统，也就是应尽可能避免有另外一些可能从转子表面引出的单独通道。这样做的优点在于，冷却蒸汽质量流量可逐级减小，并且同样的冷却蒸汽可经由多级起作用。在图1所示先有技术中，已知在转子或罩壳中设有被分开导引的各单个通道16或13。冷却剂所需压力可根据主流工质的最高压力来限定。在上述先有技术的这些分开通道中，压力对于后续级而言不再能得到调节。这会导致高压差并进而导致透平承受附加的应力。在用于多个叶片组的相互分开的冷却通道内的较高压力，还会导致显著增大汽轮机转子的机械负荷。对于分开的通道也必须为制备不同的压力级提供附加的费用，这是不利的。但原则上可以如本说明书一般性部分中所说明的那样，一个通道系统也可进行灵活的改型设计并且也可由一些分系统组成。
图3中详细示出按照本发明优选实施形式的汽轮机转子30受到冷却的叶片区。此外，一个相应的汽轮机转子31具有一个没有表示的包括导向叶片组32的罩壳。在这里，汽轮机转子30沿外侧33设有第一位置30a和第二位置30b，其中，沿轴向34第二位置30b处于第一位置30a之后。所述外侧33构成一外腔35的边界，该外腔用于容纳流动工质的主流36。然而在本实施例中所述外侧33并不是由转子轴原本的表面构成，而是由与转子一起旋转的屏蔽板38构成，该屏蔽板通过叶根39a、39b固定。此外，所述叶根39a、39b锚固在叶片固定槽40a、40b内。一定数量的叶片41a沿转子30圆周并列以及分别沿径向42定向，从而在位置30a处构成第一个也称为工作叶片级的工作叶片组。相应地，一定数量的第二叶片41b在第二位置30b沿圆周并列地装在固定槽40b内并构成第二工作叶片组。
作为图3所示屏蔽板38的补充或改型，也可以通过在叶根39a、30b上加工出屏蔽面来实现。尽管由此需要附加的材料及加工成本，但可以达到与屏蔽板38类似的屏蔽作用以及按不同需要可能是有利的。
图3所示的通道系统43具有至少一个在设在第一位置30a前的第一区和设在第一位置30a后并且在本实施形式中也设在第二位置30b后的第二区之间连续延伸的通道44。在此实施例中，该通道44实际上沿转子的整个叶片区(长度按照需要)延伸。该通道44一方面由转子30的壁37以及另一方面由屏蔽板38构成。许多这种沿轴向34延伸的通道44沿周向在转子30外侧33排列。此外，所述通道系统43还有一些沿周向环绕的槽45，在本实施形式中它们沿轴向34分别布置在导向叶片32所在的高度上。所述导向叶片32具有一盖板32a。所述通道系统43的这些通道可通过铣削加工在转子轴表面37上形成并用屏蔽板38的平面结构部分覆盖。所述通道系统43在其流动路径中还包括叶片固定槽(图9、图10)和/或叶根39a、39b中的孔46a、46b(图5、图6、图9、图10)。
此外，所述通道系统43具有孔47、48和49，以通过将部分冷却剂排入主流中使冷却剂流的压力与工质流压力相匹配。
在叶片区内通过一块屏蔽板38进行的屏蔽，可借助另一块屏蔽板也屏蔽冷却剂的入流区来达到(图中没有表示出这另一块屏蔽板)，并由此带来另一些防止透平转子材料氧化方面的优点。
作为采用屏蔽板38的替代措施或补充措施，一个通道系统43或通道44、45也可以以钻孔的形式或其他恰当的方式加工在转子30内部并靠近其表面。
图4表示图3中剖面A-A的视图。在这里，图3所示环形槽45用虚线表示。相应地，轴向槽44示意表示为在汽轮机转子的转子轴表面37内的凹窝。
图5表示在叶根39a内安设通孔46a的一种可能性。带有钻孔46a、46a′的许多沿转子周向并列的叶根39a、39a′，在位置30a处构成一个叶片组。
作为图3中钻孔46a、46a′的一种替代设计，在图6中表示出孔46a″。一个孔46a″加工在每两个相邻叶根39a″的邻接区域内。
与燃气轮机相反，在汽轮机中流入一个汽轮机分透平内的工质在具有最高温度的同时具有最大压力。为了尤其实现一种用于汽轮机的开式冷却系统，因而必须采取恰当的措施来供入冷却剂。该冷却剂的供入可以在从水汽循环的一个压力较高和温度足够低的位置提取这种冷却剂后进行。恰当的提取位置尤其是-在进入锅炉的连接在汽轮机分透平上游的过热部分之前；-完全在进入锅炉之前，-在从一个连接在上游的汽轮机分透平排出后，-从一个连接在上游的汽轮机分透平的一个抽汽点，-借助一个恰当的泵来单独制备，该泵在一个低压位置从预热段抽取冷却剂并将其置于所需要的压力。当泵故障使冷却中断时，需要附加的费用，必要时需要冗余设计。
图7表示将冷却剂71从在第一导向叶片组78前的一个区域72传输到沿轴向74在第一导向叶片组78后面的另一个工作叶片固定装置区73内的一种可能性70。图中示出了一个内壳76a，它安置在一个汽轮机77的外壳76内。冷却剂可通过一供给装置70加入在转子75内且靠近其表面的一个通道系统79中，并沿轴向74在工作叶片组75a的区域内导引。所述冷却剂可平行地流过密封区(冷却、减少焓的损失)。
所述冷却剂71在外壳76内的流动69用于冷却外壳。冷却剂的入流通过一些满足安全技术要求的阀来调整。
除图7中所表示的引入冷却剂的可能性70外，冷却剂也可以在工质的入流区内引入所述集成在转子中的通道系统79内。图8表示在一种优选实施形式中引入冷却剂80的另一种有利的可能性，这种实施形式现在在按先有技术的图1所示透平1中提供一种在转子表面附近的冷却。按先有技术的透平1与按本发明特别优选实施形式的透平81彼此对应的部分采用相同的附图标记。下面描述用于导引冷却剂80以实现主动冷却转子83的主动冷却系统。冷却剂80通过一个进口区9(如已在图1中表示的那样)供给工质8的入流区。该冷却剂80被进一步导引穿过一块屏蔽板12，并在一个位于屏蔽板12后的腔室82内沿轴向85在转子壁内部的表面附近、亦即在转子叶片15固定区84内流动。尤其是，所述冷却剂80沿轴向85至少在设在第一工作叶片环15前的第一区82与设在第一工作叶片环15后的第二区88之间连续导引。在透平81的这个实施形式中利用第一区82，以便将冷却剂80供入转子83在其表面附近的轴向通道系统中。虽然在这里没有表示，但冷却剂80实际上仍可以沿转子83的整个工作叶片区导引。所述轴向通道系统的实际设计(长度)视具体技术要求而定。在此，尤其可以分别逐个地或组合地采取在其余附图中所示出的所有其他措施，来构成透平81的主动冷却系统。尤其也可以在图8所示实施形式中将所述冷却系统设计为开式冷却系统。
当冷却剂在通道系统末端排入主流中时，冷却剂不仅在压力方面而且在温度方面基本上与主流相适应。这是冷却剂在被冷却的叶片区内吸热的结果。该冷却剂然后在主流中参与进一步的膨胀作功。这是开式冷却系统的一个突出优点，由此促使从受到冷却的叶片区将焓输送给不被冷却的区域。
在图示实施形式中，对冷却剂在安全技术方面的监控主要是必须调整冷却剂的温度。在这方面应注意，在流道中和通道系统中的提前凝结和/或成滴现象即使在部分负荷时也应避免。此外，主要构件如转子、叶片或叶片固定装置的过热，在所有重要的负荷状态下都应排除。按具体技术要求，可以在透平阀与冷却剂阀之间实行轮流调整。
所述优选实施形式的通道系统，也可以有利地用于预热。为此在起动过程中供入恰当的介质。它也可以从水汽循环的另一些位置抽取出而作为以后真正的冷却剂。在此比较有利地对预热介质在通道系统内进行节流，且使之至少在这里对轴系的加速没有贡献。类似地，这一方法还可以应用于快速冷却。对将来的转子或转子材料来说，所述本发明方法在起动时间和冷却时间方面具有优点。
图9表示用于在叶根90区域内导引冷却剂的所述通道系统的另一种设计。该叶根90锚固在一个透平转子92内的一个槽91中。所述优选实施形式的轴向通道93在导向叶片94的区域内更深地进入转子92的内部并因而在导向叶片94区域内有一种例如三角形的走向。任何其他走向也是可能的。所述通道93通过一些分叉通道99向主流开启。所述通道93的区域内附加地包含有一个叶片固定槽95。此外，所述通道93借助穿透通道96穿过叶根90，该穿透通道96设在叶根的腰97上方靠近叶身98之处。这样做的优点是不损害叶根腰97的强度。
图10还表示了另一种与图9所示类似的设计。与图9不同，一个通道106还在叶身108的区域内实现。在叶身108的区域内一些通道110从通道106出发，它们将冷却剂从通道106导引到叶身表面108，以便形成一种汽膜冷却。
此外，所述冷却剂还通过在导向叶片104区域内的通道109排入工质的主流。其他的详情100、101、102、103、107与图9中表示的情况一致。
图11表示第一屏蔽板120与第二屏蔽板121在搭接部位122区域内的一种有利结构。在这里所表示的具体设计，可有利地在带有图11中所示通孔123和124或图3中所示通孔47、48和49的一个屏蔽装置38中实施。这样一种屏蔽板可有利地用一种适用的、例如耐高温的材料制造。在图示实施形式中，它由分段120、121组成，它们在其搭接部位122优选地具有一个针对不同温度可运动的重叠段125、126。
在图3所示的设计中，所述屏蔽板位于导向叶片盖板的区域内并且应当有相应的密封齿、亦即非接触式密封装置。此外，密封齿可车削成环形，亦即由一整体件加工而成，或嵌入密封带。业已证实比较有利的是，这可以根据材料以及结构的强度要求和加工要求来具体确定。
当冷却剂通过导向叶片的轴密封装置排入主流中时，则可能通过经由这些密封装置流动的漏泄质量流减少效率损失。所述漏泄质量流在此情况下不是指工质主流中的热工作介质，而是指具有较低焓值的冷却剂。不过这种效果有可能由于导入冷却剂的位置需求使密封齿数量减少而被重新抵消。
总之，本发明建议了一种汽轮机转子、一种汽轮机和一种主动冷却汽轮机转子的方法以及一种对于这种主动冷却的恰当应用。
在迄今已知的汽轮机1中，转子要么只是被动冷却，要么只是在工质的入流区受到程度有限的主动冷却。在由于提高工质的蒸汽参数使转子负荷增加时，不再保证汽轮机转子能得到充分冷却。本发明为此所建议的沿轴向25、34延伸的汽轮机转子21、30具有一个在转子表面附近沿轴向25、34延伸的通道系统；一个外侧26a，它构成一外腔27a、35的边界，该外腔用于容纳一种流动工质8的主流27、36；沿外侧26a、33的第一位置30a，在该位置上固定有第一叶片41a；沿外侧26a、33的第二位置30b，在该位置上固定有第二叶片41b，其中，该第二位置30b沿轴向25、34设在第一位置30a后。为保证充分冷却在此设有至少一个通道44、46a、46b、93、96、103、106，它设在转子表面附近，并至少在一个设在第一位置30a前的第一区28a、72与一个设在第二位置30b后的第二区28b、73之间连续延伸。本发明还建议了一种主动冷却转子的方法及其应用，按本发明方法适当地导引流动的冷却剂10。
权利要求
1.一种汽轮机转子(21、30、75)，它沿轴向(25、34)延伸，其具有-一个外侧(26a)，它构成一外腔(27a、35)的边界，该外腔用于容纳一种流动工质(8)的主流(27、36)，-沿该外侧(26a、33)的第一位置(30a)，在该位置上固定有第一叶片(41a)，其特征在于-至少一个集成在其内部的通道(44、46a、46b、93、96、103、106)，该通道至少在一个设在第一位置(30a)前的第一区(28a、72)和一个设在第一位置(30a)后的第二区(28b、73)之间连续延伸。
2.按照权利要求1所述的汽轮机转子，其特征在于，在沿外侧(26a)的第二位置(30b)上固定有第二叶片(41b)，其中，沿轴向(25、34)该第二位置(30b)设在第一位置(30a)之后，以及，所述通道(44、46a、46b、93、96、103、106)至少在一个设在第一位置(30a)前的第一区(28a、72)和一个设在第二位置(30b)后的第二区(28b、73)之间连续延伸。
3.按照权利要求2所述的汽轮机转子，其特征在于在第一位置(30a)与第二位置(30b)之间还设有一定数量的其他位置，在这些位置上分别固定有一叶片(41a、41b)。
4.按照权利要求1至3之一所述的汽轮机转子，其特征在于所述至少一个通道(44、46a、46b、93、96、103、106)是一个相贯通连接的通道系统(43)的组成部分，该通道系统沿轴向(25、34)延伸。
5.按照权利要求1至4之一所述的汽轮机转子，其特征在于所述至少一个通道(44、46a、46b、93、96、103、106)是一个相贯通连接的通道系统(43)的组成部分，该通道系统具有一个用于输入冷却剂(10、71)的外部输入装置(70)。
6.按照权利要求1至5之一所述的汽轮机转子，其特征在于所述至少一个通道(44、46a、46b、93、96、103、106)是一个相贯通连接的通道系统(43)的组成部分，该通道系统具有一个沿转子(21、30、75)周向尺寸至少部分环绕的通道(45)。
7.按照权利要求1至6之一所述的汽轮机转子，其特征在于所述第一区(28a)具有一个去往工质主流(27、36)的第一孔(49、99、109)。
8.按照权利要求1至7之一所述的汽轮机转子，其特征在于所述第二区(28b)具有一个去往工质主流(27、36)的第二孔(47、99、109)。
9.按照权利要求1至8之一所述的汽轮机转子，其特征在于所述转子(21、30、75)的外侧(26a)由一个可与转子(21、30、75)一起旋转的屏蔽板(38)构成。
10.按照权利要求1至9之一所述的汽轮机转子，其特征在于一个可与转子(21、30、75)一起旋转的屏蔽板(38)通过叶片(41a、41b)、尤其是叶根(39a、39b)固定。
11.按照权利要求9或10所述的汽轮机转子，其特征在于所述转子轴相对于蒸汽主流的屏蔽装置至少部分由叶根(39a、39b)构成。
12.按照权利要求1至11之一所述的汽轮机转子，其特征在于所述通道(46a、46b、96、106)穿过叶片(41a、41b)、尤其是叶根(39a、39b)。
13.按照权利要求1至12之一所述的汽轮机转子，其特征在于，在叶根(39a、39b)处的槽(40a、40b)也构成所述通道(44)的一部分。
14.按照权利要求1至13之一所述的汽轮机转子，其特征在于，穿过各单个叶根(39a、39a′)的孔(46a、46a′)和/或穿过两个相邻叶根(39a″)的孔(46a″)也构成所述通道(44)的一部分。
15.按照权利要求1至14之一所述的汽轮机转子，其特征在于，一个在叶身(108)中的通道(106、110)与所述通道(44)相贯通连接。
16.按照权利要求1至15之一所述的汽轮机转子，其特征在于在叶片表面设有一隔热材料层，该隔热材料具有与叶片母体材料相比更小的导热系数。
17.一种汽轮机(77、20)，其具有一个按照权利要求1至16之一所述的汽轮机转子(21、30、75)。
18.一种用于主动冷却汽轮机转子(21、30、75)的方法，该汽轮机转子沿轴向(25、34)延伸，并具有-一个外侧(26a)，它构成一外腔(27a、35)的边界，该外腔用于容纳一种流动工质(8)的主流(27、36)，-沿外侧(26a、33)的第一位置(30a)，在该位置上固定有第一叶片(41a)，其特征在于-一种流动的冷却剂(10、71)在汽轮机转子(21、30、75)内部沿轴向(25)至少在一个设在第一位置(30a)前的第一区(28a、72)和一个设在第一位置(30a)后的第二区(28b、73)之间连续导引。
19.按照权利要求18所述用于主动冷却汽轮机转子的方法，其特征在于在该汽轮机转子(21、30、75)上沿其外侧(26a、33)设有第二位置(30b)，在该位置上固定有第二叶片(41b)，其中，沿轴向(25、34)该第二位置(30b)设在第一位置(30a)之后，以及，所述流动的冷却剂(10、71)至少在一个设在第一位置(30a)前的第一区(28a、72)和一个设在第二位置(30b)后的第二区(28b、73)之间连续导引。
20.按照权利要求19所述用于主动冷却汽轮机转子的方法，其特征在于所述冷却剂(10、71)在一个相贯通连接的通道系统(43)内沿轴向(25、34)经第一位置(30a)和第二位置(30b)以及一些处于它们之间的其他位置(24)流动，在这些其他位置上也分别固定有一叶片(41a、41b)。
21.按照权利要求18至20之一所述用于主动冷却汽轮机转子的方法，其特征在于所述冷却剂(10、71)从外部(70)供给汽轮机转子(21、30、75)。
22.按照权利要求18至21之一所述用于主动冷却汽轮机转子的方法，其特征在于所述冷却剂在一定压力下导引，该压力超过工质主流(27、36)的压力。
23.按照权利要求18至22之一所述用于主动冷却汽轮机转子的方法，其特征在于所述冷却剂(10、71)在一定压力下导引，该压力根据工质主流(27、36)内的压力来调节(47、48、49、99、109)，尤其是节流。
24.按照权利要求18至23之一所述用于主动冷却汽轮机转子的方法，其特征在于供入具有一定温度和/或一定量的冷却剂(10、71)，该冷却剂的温度和/或供入量根据工质主流(27、36)的温度来调节(47、48、49、99、109)。
25.利用一种对于汽轮机转子(21、30、75)的主动冷却来起动汽轮机(77、20)和/或使之停车，尤其应用于汽轮机(77、20)的快速冷却。
全文摘要
本发明公开了一种汽轮机转子。在迄今已知的汽轮机(1)中，转子或只是被动冷却或仅在工质的入流区有限地予以主动冷却。在通过提高工质的蒸汽参数使转子的负荷增大时，不再保证汽轮机转子的充分冷却。本发明所建议的汽轮机转子(21、30、75)为此具有至少一个集成在其内部的通道(44、46a、46b、93、96、103、106)，该通道至少在一个设有第一叶片组的第一位置(30a)前的第一区(28a、72)与一个设有第二叶片组的第二位置(30b)后的第二区(28b、73)之间连续延伸。本发明还公开了一种相应的汽轮机和一种主动冷却转子的方法及对该主动冷却方法的应用，按此方法适当地导引流动的冷却剂(10)。
文档编号F01D25/12GK1526916SQ20041000366
公开日2004年9月8日 申请日期2004年2月5日 优先权日2003年2月5日
发明者德特勒夫·哈杰, 德特勒夫 哈杰, 罗特格, 迪特马·罗特格 申请人:西门子公司