专利名称：蒸汽涡轮机、蒸汽涡轮机的冷却及绝热方法
技术领域：
本文所描述的实施例总体上涉及蒸汽涡轮机、蒸汽涡轮机的冷却及绝热方法，且 更具体地涉及使用从约650°C至750°C的高温蒸汽的蒸汽涡轮机、蒸汽涡轮机的冷却及绝 热方法。
背景技术：
从改良蒸汽涡轮机的效率的角度来看，已经实现使用具有约600°C温度的主蒸汽 流的蒸汽涡轮机。为了进一步改良蒸汽涡轮机的效率，正致力于用于将主蒸汽流的温度设 置为约650°C至750°C的研究和开发。由于这种蒸汽涡轮机具有高温的主蒸汽流，因此需要使用用于一些组成部件的耐 热合金。但是耐热合金是昂贵的且几乎不制造成生产大尺寸部件，因此耐热合金不能用于 一些组成部件。当蒸汽温度增加到高水平时，由这种组成部件配置成的部分可具有差的材 料强度。因此，例如在特开JP-A 2006-104951号公报中所描述的那样，一种通过冷却具有 高温的组成部件来抑制由高温引起的材料强度下降的技术正被研究。特开JP-A 2006-104951号公报描述了一种通过使得支承静叶片的隔板外环形成 为具有冷却通道来冷却隔板外环的技术，所述冷却通道用于冷却蒸汽在具有双层结构壳体 的蒸汽涡轮机中流动，所述双层壳体包括外部壳体和内部壳体。由于蒸汽涡轮机具有大壳体，因此从生产成本和生产率的角度来看，其期望由非 耐热合金但常规使用的耐热钢制成。而且，配置双层结构壳体的常规蒸汽涡轮机具有用于 支承静叶片的隔板外环，例如该隔板外环设置成部分接触内部壳体，从而热趋于从隔板外 环引导到内部壳体。并且，冷却隔板外环的常规结构并不容易充分地冷却内部壳体，该内部 壳体趋于在双层结构壳体中具有高温。
图1是示出了包括根据第一实施例的蒸汽涡轮机的涡轮机转子的中心轴线的截 面(子午截面)的视图。图2是示出了包括用于描绘根据第一实施例的蒸汽涡轮机的冷却介质通道结构 的涡轮机转子的中心轴线的截面(子午截面)的视图。图3是在从涡轮机转子轴线方向中的下游侧看时与突出部分上游侧上的侧表面 接触的隔板外环的下游侧上的侧表面的一部分的平面图。图4是示出了包括用于描绘根据第二实施例的蒸汽涡轮机的冷却介质通道结构 的涡轮机转子的中心轴线的截面(子午截面)的视图。
图5是示出了包括用于描绘根据第三实施例的蒸汽涡轮机的冷却介质通道结构 的涡轮机转子的中心轴线的截面(子午截面)的视图。图6是示出了包括用于描绘根据第四实施例的蒸汽涡轮机的冷却介质通道结构 的涡轮机转子的中心轴线的截面(子午截面)的视图。图7是示出了包括用于描绘根据第五实施例的蒸汽涡轮机的绝热机构的结构的 涡轮机转子的中心轴线的截面(子午截面)的视图。
具体实施例方式在实施例的第一方面，提供一种配置有双层结构壳体的蒸汽涡轮机的壳体，且更 具体地涉及能够抑制内部壳体中的温度升高的蒸汽涡轮机、蒸汽涡轮机的冷却及绝热方 法。在实施例的另一方面，提供一种蒸汽涡轮机，所述蒸汽涡轮机包括双层壳体，所 述双层壳体包括外部壳体和内部壳体；蒸汽入口管，所述蒸汽入口管布置成在外部壳体的 入口部分与内部壳体的入口部分之间连通；可操作地布置在内部壳体中的涡轮机转子，所 述涡轮机转子植入有多级动叶片；多级静叶片，所述多级静叶片沿圆周方向布置在隔板外 环与隔板内环之间，各级静叶片配置成分别与各级动叶片在涡轮机转子的轴线方向交错排 布；冷却介质通道，所述冷却介质通道形成于内部壳体与隔板外环之间，以使得冷却介质流 动；供应管，所述供应管将冷却介质供应给冷却介质通道；以及排气通道，所述排气通道将 已经通过最终级动叶片的工作流体引导至外部壳体之外。在实施例的另一方面，提供一种蒸汽涡轮机，所述蒸汽涡轮机包括具有外部壳体 和内部壳体的双层壳体；蒸汽入口管，所述蒸汽入口管布置成在外部壳体的入口部分与内 部壳体的入口部分之间连通；可操作地布置在内部壳体中的涡轮机转子，所述涡轮机转子 植入有多级动叶片；多级静叶片，所述多级静叶片沿圆周方向布置在隔板外环与隔板内环 之间，各级静叶片配置成分别与各级动叶片在涡轮机转子的轴线方向交错排布；多个突出 部分，所述多个突出部分相对于涡轮机转子朝向内径向方向沿圆周突出，每个突出部分分 别对应于相应的一个涡轮机静叶片；以及排气通道，所述排气通道将已经通过最终级动叶 片的工作流体引导至外部壳体之外。在此，每个突出部分的上游侧表面分别接触相应的一 个隔板外环的下游侧表面；并且绝热机构配置在突出部分的上游侧表面和隔板外环的下游 侧表面中的至少一个处。在实施例的另一方面，提供一种冷却蒸汽涡轮机的方法，所述蒸汽涡轮机包括具 有外部壳体和内部壳体的双层结构壳体；蒸汽入口管，所述蒸汽入口管布置成在外部壳体 的入口部分与内部壳体的入口部分之间连通；可操作地布置在内部壳体中的涡轮机转子， 所述涡轮机转子植入有多级动叶片；多级静叶片，所述多级静叶片沿圆周方向布置在隔板 外环与隔板内环之间，各级静叶片配置成分别与各级动叶片在涡轮机转子的轴线方向交错 排布；以及排气通道，所述排气通道将已经通过最终级动叶片的工作流体引导至外部壳体 之外，其中所述方法包括通过将冷却介质借由供应管引入到形成于内部壳体与隔板外环之 间的冷却介质通道中来直接冷却内部壳体和隔板外环。在实施例的另一方面，提供一种蒸汽涡轮机的绝热方法，所述蒸汽涡轮机包括具 有外部壳体和内部壳体的双层结构壳体；蒸汽入口管，所述蒸汽入口管布置成在外部壳体的入口部分与内部壳体的入口部分之间连通；可操作地布置在内部壳体中的涡轮机转子， 所述涡轮机转子植入有多级动叶片；多级静叶片，所述多级静叶片沿圆周方向布置在隔板 外环与隔板内环之间，各级静叶片配置成分别与各级动叶片中的每级在涡轮机转子的轴线 方向交错排布；多个突出部分，所述多个突出部分相对于涡轮机转子朝向内径向方向沿圆 周突出，每个突出部分分别对应于各级涡轮机静叶片，其中每个突出部分的上游侧表面分 别接触相应的一个隔板外环的下游侧表面；以及排气通道，所述排气通道将已经通过最终 级动叶片的工作流体引导至外部壳体之外，其中所述方法包括在突出部分的上游侧表面和 隔板外环的下游侧表面中的至少一个处配置绝热机构，以阻碍热从隔板外环传递到突出部 分。 参考附图来描述实施例，附图配置成仅用于描述目的且不在任何方面限制本发 明。 参考图1-3来描述一个实施例。(第一实施例)图1是示出了包括根据第一实施例的蒸汽涡轮机10的涡轮机转子22的中心轴线 的截面(子午截面)的视图。如图1所示，蒸汽涡轮机10配置有双层结构壳体，双层结构壳体包括内部壳体20 和布置在其外侧的外部壳体21。并且，涡轮机转子22可操作地布置在内部壳体20中且通 过内部壳体20。多级动叶片24圆周植入到涡轮机转子22的转子盘23中，以构成动叶片级 联(例如，动叶片级)。该动叶片级联在涡轮机转子22的轴线方向上形成为多级。涡轮机 转子22由未示出的转子轴承可旋转地支承。隔板外环25和隔板内环26沿着圆周方向布置在内部壳体20内。多级静叶片27 圆周配置在隔板外环25和隔板内环26之间且由它们支承，以构成定子叶片级联(例如，涡 轮机静叶片级)。该定子叶片级联与动叶片级联在涡轮机转子22的轴线方向上按照多级交 错排布，以形成包括定子叶片级联和动叶片级联的多级涡轮机级。因此，隔板外环25和隔 板内环26通过将两个半圆柱体状的构件结合来配置成圆柱体形状。因此，半圆柱体状构件 的端部变成水平平面，且具有用于通过将它们相互结合来固定半圆柱体状构件的凸缘部分 (未示出)。突出部分28相对于涡轮机转子22的中心轴线朝向内径向方向沿圆周突出。突出 部分28沿圆周方向形成在内部壳体20的内表面上。突出部分28在涡轮机转子22的轴线 方向上以多级形成。每个突出部分28分别对应于涡轮机静叶片的相应一级，例如定子叶片 级联。上游侧表面28a接触下游侧表面25a，上游侧表面28a是位于突出部分28的上游侧 上的侧表面，而下游侧表面25a是位于隔板外环25的下游侧上的侧表面。因此，隔板外环 25配置成使得隔板外环25的下游侧上的下游侧表面25a接触突出部分28的上游侧表面 28a,以防止隔板外环25在涡轮机转子22的轴线方向上移动到下游侧。迷宫式密封部分29配置在涡轮机转子22的侧面上的隔板内环26上，以防止蒸汽 从隔板内环26与涡轮机转子22之间泄漏。迷宫式密封部分29具有在圆周方向上划分成 多个(例如，8个)部分的结构，以便在圆周方向上插入从而配合到形成于隔板内环26的内 圆周中的沟槽部分中。蒸汽涡轮机10配备蒸汽入口管30，蒸汽在该入口管30中从外界引入，以便将外部壳体21的入口部分21a与内部壳体20的入口部分20a连通。并且，内部壳体20的入口部 分20a的内表面配备密封环31，以在内部壳体20与蒸汽入口管30之间进行密封。内部壳体20的入口部分20a配备喷嘴盒32。喷嘴盒32的一端连接成与蒸汽入口 管30连通。并且，喷嘴盒32的另一端(即，出口)配置有具有第一级静叶片27的定子叶 片级联。蒸汽涡轮机10配备排气通道(未示出)，其将蒸汽从内部壳体20的内部引导到外 界，蒸汽是在执行膨胀做功时在流经内部壳体20中交替的定子叶片级联和动叶片级联之 后已经通过最终级动叶片24的工作流体。在内部壳体20与隔板外环25之间形成允许冷却介质CM通过的冷却介质通道40。 并且，冷却介质通道40配置有用于供应冷却介质CM的供应管45，如图1所示。供应管45 形成通过外部壳体21，其一端配合到形成于内部壳体20中的通孔中。在此，供应管45布置 成将冷却介质CM供应给第三涡轮机级的冷却介质通道40，但是其位置并不如此限制。对于冷却介质CM，可使用从另一蒸汽涡轮机抽取的蒸汽、从另一蒸汽涡轮机排出 的蒸汽、从锅炉抽取的蒸汽等。当蒸汽涡轮机10是中间压力涡轮机时，例如从高压涡轮机 抽取的蒸汽可用作冷却介质CM。当蒸汽涡轮机10是高压涡轮机时，例如从锅炉抽取的蒸汽 可用作冷却介质CM。冷却介质CM优选地被设定在某温度，在该温度时在例如要冷却的内部壳体20和 隔板外环25的部件中不引起大的热应力。因此，在不产生大热应力的温度下时，优选将温 度确定为从约50至150°C的温度，该温度低于在不被冷却状态下的内部壳体20和隔板外环 25的温度。并且，冷却介质CM的供应压力优选为处于一定水平的压力，在该水平时，例如 在图1所示的冷却介质通道40中使得冷却介质CM可通过冷却介质通道40 (见图1中的箭 头)流动到下游侧(图1中的右侧)以及流动到相应于最终涡轮机级的冷却介质通道40。 此外，冷却介质CM的供应压力优选为处于一定水平的压力，在该水平时，使得冷却介质CM 流动通过冷却介质通道40到达上游侧(见图1中的左侧)(见图1中的箭头)、在由密封环 31密封的蒸汽入口管30与内部壳体20的入口部分20a的内表面之间流动、以及流动到内 部壳体20与外部壳体21之间的空间中。在此，当冷却介质CM流动到冷却介质通道40的上游侧(见图1的左侧)和下游 侧(见图1的右侧)时，通过调节形成于内部壳体20的内表面与隔板外环25的外表面之 间的间隙部分41以及形成于隔板外环25的下游侧表面25a中的沟槽部分42的通道截面 面积来合适地确定通道中的压力损失(即，通道阻抗)。在此，内部壳体20的内表面包括突 出部分28的两个侧表面和内圆周表面。隔板外环25的外表面包括外圆周表面和两个侧表 如图1所示，优选的是将冷却介质防泄漏构件33沿圆周方向布置在相互邻近的隔 板外环25之间，以防止冷却介质CM从相互邻近的隔板外环25之间的间隙流动到主蒸汽流 所流动的通道中。该冷却介质防泄漏构件33由例如与形成隔板外环25的材料相同的耐热 材料构成，并且包括在圆周方向上划分成多个部件的盘状构件。换句话说，该冷却介质防泄 漏构件33通过将在圆周方向上划分成多个部件的盘状构件相结合来整体构造成圆柱体形 状。例如，独立盘状构件的两端还可配置成具有凸缘部分(未示出)，用于通过将在圆周方 向上相互邻近的盘状构件相结合来固定。环形形状中的独立盘状构件与形成于邻近且相对
8的隔板外环25的侧表面中的安装沟槽34配合，从而可能在不布置上述凸缘部分的前提下 总体上形成圆柱体形状。在下文更详细地描述冷却介质通道40。图2是示出了包括用于描述根据第一实施例的蒸汽涡轮机10的冷却介质通道40 结构的涡轮机转子22的中心轴线的截面(子午截面)的视图。图3是在涡轮机转子22的 轴线方向上从下游侧看时与突出部分28的上游侧表面28a接触的隔板外环25的下游侧表 面25a的一部分的平面图。图2和图3通过箭头示出了冷却介质CM的流动。如图2所示，冷却介质通道40包括多个间隙部分41和沟槽部分42。每个间隙部 分41对应于涡轮机静叶片的相应一级(例如，涡轮机定子级联)。每个间隙部分41由内部 壳体20的内表面和至少一个隔板外环25的外表面构成，使得每个间隙部分41分别由突出 部分28轴向分离。沟槽部分42形成于下游侧表面25a，其是位于隔板外环25的下游侧上 的侧表面；与上游侧表面28a接触，其是位于突出部分28的上游侧上的侧表面；并且与间 隙部分41连通。换句话说，沟槽部分42联接并连接两个轴向邻近布置的间隙部分41，以将 它们连通。如图3所示，沟槽部分42形成为沿着隔板外环25的径向方向在隔板外环25的 下游侧表面25a中具有指定宽度且沿圆周方向形成有多个指定间隔。如图2和图3所示，冷却介质CM部分地流动通过由内部壳体20的内表面和隔板 外环25的外表面形成的间隙部分41、流动通过形成于隔板外环25的下游侧表面25a的沟 槽部分42并且流入到由在进一步下游侧上的涡轮机级的内部壳体20的内表面和隔板外环 25的外表面形成的间隙部分41。因此，内部壳体20的内表面和隔板外环25的外表面由冷 却介质CM直接冷却。在下文中参考图1-3来描述蒸汽涡轮机10的动作。如图1所示，从蒸汽入口管30进入到蒸汽涡轮机10的蒸汽被引导到喷嘴盒32中。 被引导到喷嘴盒32的蒸汽从喷嘴盒32中的第一级静叶片27朝向第一级动叶片24排出。 并且，从喷嘴盒32排出的蒸汽流动通过蒸汽通道以转动涡轮机转子22，所述蒸汽通道位于 设置在内部壳体20中的静叶片27与植入到涡轮机转子22的转子盘23中的动叶片24之 间。在执行膨胀做功时已经流经内部壳体20并且流经最终级动叶片24的蒸汽通过排气通 道(未示出)排出蒸汽涡轮机10。通过供应管45引入到冷却介质通道40的冷却介质CM通过间隙部分41部分地流 动到下游侧(见图1的右侧)(见图1和2的箭头)，间隙部分41通过内部壳体20的内表 面与隔板外环25的外表面形成，如图1和2所示。并且，如图2和3所示，蒸汽流经形成于 隔板外环25的下游侧表面25a上的沟槽部分42并且流入到进一步下游侧上的间隙部分41 中，间隙部分41由进一步下游侧上的涡轮机级的内部壳体20的内表面和隔板外环25的外 表面形成。并且，已经流经相应于最终涡轮机级的冷却介质通道40的冷却介质CM被引导 到例如排气通道(未示出)中。同时，通过供应管45引入到冷却介质通道40中的冷却介质CM的剩余部分流经间 隙部分41到达上游侧(见图1中的左侧)，该间隙部分41由内部壳体20的内表面和隔板 外环25的外表面形成，如图1所示(见图1中的箭头)。并且，冷却介质CM在径向方向上 朝向外界流经形成于隔板外环25的下游侧表面25a中的沟槽部分42，如图1所示。并且， 蒸汽流入到在进一步上游侧上的间隙部分41中，该间隙部分41由进一步上游侧上的涡轮机级的内部壳体20的内表面和隔板外环25的外表面形成。已经流经第二涡轮机级朝向上 游侧的冷却介质CM在由密封环31密封的蒸汽入口管30与内部壳体20的入口部分20a的 内表面之间流动，以流入到内部壳体20和外部壳体21之间的空间中。并且，已经在内部壳 体20与外部壳体21之间流动的冷却介质CM被引导到例如排气通道(未示出)中。因此，冷却介质CM在内部壳体20与隔板外环25之间流动，以冷却内部壳体20和 隔板外环25。并且，隔板外环25的外表面被冷却，使得可抑制由热辐射引起的从隔板外环 25的外表面至内部壳体20的内表面的热传递。如上所述，第一实施例的蒸汽涡轮机10具有用于使得冷却介质CM在内部壳体20 与隔板外环25之间流动的冷却介质通道40，使得内部壳体20的内表面和隔板外环25的外 表面可被直接冷却。因此，内部壳体20和隔板外环25可被有效地冷却。由于内部壳体20如上所述被冷却，甚至在供应给蒸汽涡轮机10的蒸汽被设定至 例如从约650至750°C的温度时，内部壳体20可由例如与之前的高Cr耐热钢相同的材料构 成。因此，可抑制生产成本的增加并且可改良蒸汽涡轮机10的效率。(第二实施例)第二实施例的蒸汽涡轮机10具有与第一实施例的蒸汽涡轮机10相同的结构，不 同之处在于，上述第一实施例的蒸汽涡轮机10中冷却介质通道40的结构进行变化。在此， 主要描述与第一实施例的蒸汽涡轮机10中冷却介质通道40的结构不同的冷却介质通道 50。图4是示出了包括用于描述根据第二实施例的蒸汽涡轮机10的冷却介质通道50 的结构的涡轮机转子22的中心轴线的截面(子午截面)的视图。相应于第一实施例的蒸 汽涡轮机10的结构的相同组成部件用相同的附图标记表示，且重复的描述将省略或被简 化(这同样适用于下述实施例中)。如图4所示，冷却介质通道50包括多个间隙部分41和通孔51。每个间隙部分41 对应于涡轮机静叶片的相应一级(例如，涡轮机转子级联)。每个间隙部分41形成于内部 壳体20的内表面与至少一个隔板外环25的外表面之间，使得每个间隙部分41分别由突出 部分28轴向分离。通孔51形成于突出部分28中，以与间隙部分41连通。换句话说，通孔 51联接并连接两个轴向邻近布置的间隙部分41，以将其连通。图4示出了冷却介质通道50 的结构，其用于将通过供应管45引入到冷却介质通道50中的冷却介质CN部分流动到下游 侧(见图4中的右侧)，且上游侧上的冷却介质通道50也具有相同的结构。于是，参考图4来描述流经冷却介质通道50的冷却介质CM的动作。通过供应管45引入到冷却介质通道50中的冷却介质CM通过间隙部分41部分流 入到下游侧(见图4中的右侧)(见图4中的箭头)，该间隙部分41由内部壳体20的内表 面与隔板外环25的外表面形成。并且，蒸汽流经形成于突出部分28中的通孔51并进入到 进一步下游侧上的间隙部分41中，所述间隙部分由在进一步下游侧上的涡轮机级的内部 壳体20的内表面与隔板外环25的外表面形成。并且，已经流经相应于最终涡轮机级的冷 却介质通道50的冷却介质CM被引导到例如排气通道(未示出)中。同时，通过供应管45引入到冷却介质通道50中的冷却介质CM的剩余部分通过间 隙部分41流动到上游侧(见图4中的左侧)，该间隙部分41由内部壳体20的内表面与隔 板外环25的外表面形成。并且，蒸汽流经形成于突出部分28中的通孔51并进入到进一步上游侧上的间隙部分41中，该间隙部分41由进一步上游侧上的涡轮机级的内部壳体20的 内表面与隔板外环25的外圆周表面形成。已经通过第二涡轮机级朝向上游侧的冷却介质 CM在由密封环31密封的蒸汽入口管30与内部壳体20的入口部分20a的内表面之间流动， 以流入到内部壳体20与外部壳体21之间的空间中(见图1)。并且，已经在内部壳体20与 外部壳体21之间流动的冷却介质CM被引导到例如排气通道(未示出)中。因此，冷却介质CM在内部壳体20与隔板外环25之间流动，以冷却内部壳体20和 隔板外环25。并且，隔板外环25的外表面被冷却，使得可抑制由热辐射引起的从隔板外环 25的外表面至内部壳体20的内表面之间的热传递。如上所述，第二实施例的蒸汽涡轮机10具有冷却介质通道50，用于使得冷却介质 CM在内部壳体20与隔板外环25之间流动，从而内部壳体20的内表面和隔板外环25的外 表面可被直接冷却。因此，内部壳体20和隔板外环25可有效地冷却。由于内部壳体20如上所述被冷却，甚至在供应管蒸汽涡轮机10的蒸汽被设定为 例如约650至750°C的温度时，内部壳体20可由例如与之前的高Cr耐热钢相同的材料构 成。因此，可抑制生产成本增加并可改良蒸汽涡轮机10的效率。(第三实施例)第三实施例的蒸汽涡轮机10具有与第一实施例的蒸汽涡轮机10相同的结构，不 同之处在于，上述第一实施例的蒸汽涡轮机10中的冷却介质通道40的结构进行了变化。在 此，主要描述与第一实施例的蒸汽涡轮机10中的冷却介质通道40的结构不同的冷却介质 通道60。图5是示出了包括用于描述根据第三实施例的蒸汽涡轮机10的冷却介质通道60 的结构的涡轮机转子22的中心轴线的截面(子午截面)的视图。如图5所示，冷却介质通道60配置有多个间隙部分41，每个间隙部分41形成于内 部壳体20的内表面与至少一个隔板外环25的外表面之间。每个间隙部分41对应于涡轮 机静叶片的相应一级(例如，涡轮机定子级联)，使得每个间隙部分41分别由突出部分28 轴向分离。并且，其中形成有多个孔61a的盘状构件61在圆周方向上布置在位于内部壳体 20的内表面与隔板外环25的外表面之间的每个间隙部分41中。通过将在圆周方向上划分成多个的划分片件相结合，盘状构件61总体上具有圆 柱体形状。例如，独立划分片件的端部还可配置成具有凸缘部分(未示出)，用于通过在圆 周方向上将相互邻近的盘状构件相结合来固定。否则，盘状构件61的独立划分片件在涡轮 机转子22的轴线方向上固定在邻近的突出部分28之间，使得在不布置用于将邻近划分片 件在圆周方向上固定的前述凸缘部分前提下可能总体上形成圆柱体形状。用于形成盘状构 件61的材料不局限于特定材料，只要该材料不引起热变形等即可。盘状构件61可由与用 来例如构造内部壳体20的相同材料构成。形成于盘状构件61中的孔61a优选地被确定成具有镗孔，使得冷却介质CM可以 指定速度从隔板外环25的一侧朝向内部壳体20的内表面喷出。当形成于盘状构件61中 的孔61a是圆形时，其直径优选地被确定成落入1mm至10mm的范围内。从盘状构件61的外表面至内部壳体20的内表面之间的距离优选地被设置成某距 离，在该距离时通过形成于盘状构件61中的孔61a喷出的冷却介质CM可有效地碰撞内部 壳体20的内表面。通过依照冷却介质的流率和压力以及孔61a的数量和配置来进行分析和实验，可合适地确定该距离。因此，可改良冷却介质CM与内部壳体20的内表面之间的热 传递。如图5所示，冷却介质通道60具有通孔62，通孔62形成于突出部分28中以与间 隙部分41连通。换句话说，通孔62联接并连接到两个轴向邻近布置的间隙部分41，以将它 们连通。通过从布置在盘状构件61与内部壳体20的内表面之间的突出部分28的上游侧 表面28a穿孔至突出部分28的下游侧上的侧表面28b来形成通孔62，所述侧表面28b位于 隔板外环25的侧面而不是位于盘状构件61的侧面上。换句话说，通孔62的冷却介质CM 的入口的径向位置位于盘状构件61与内部壳体20的内表面之间，且通孔62的冷却介质CM 的出口的径向位置位于隔板外环25的外表面与盘状构件61之间，使得冷却介质CM流经孔 61a并且通过盘状构件6的孔61a从内部侧喷出到外部侧。图5示出了冷却介质通道60的结构，并且上游侧上的冷却介质通道60具有基本 相同的结构，冷却介质通道60用于将通过供应管45引入到冷却介质通道60中的冷却介质 CM部分地流动到下游侧(见图5中的右侧)。换句话说，通孔62形成为从位于盘状构件61 与内部壳体20的内表面之间的突出部分28的下游侧表面28b穿孔到突出部分28的上游 侧表面28a，所述上游侧表面28a位于隔板外环25的侧面而不是位于盘状构件61的侧面 上。参考图5来描述流经冷却介质通道60的冷却介质CM的动作。通过供应管45引入到冷却介质通道60中的冷却介质CM部分地供应给位于隔板 外环25的侧面而不是盘状构件61的侧面上的间隙部分41，且流动到下游侧(见图5中的 右侧)(见图5中的箭头)。此时，冷却介质CM通过形成于盘状构件61中的孔61a从隔板 外环25的侧面喷出到内部壳体20的内表面。通过孔61a喷出的冷却介质CM碰撞抵靠内 部壳体20的内表面，以冷却内部壳体20的内表面。然后，冷却介质CM流经通孔62并被引 导到位于隔板外环25的侧面而不是下游侧上的涡轮机级的盘状构件61的侧面上的间隙部 分41。并且，已经流经相应于最终涡轮机级的冷却介质通道60的冷却介质CM被引导到例 如排气通道(未示出)中。同时，通过供应管45被引导到冷却介质通道60中的冷却介质CM的剩余部分被供 应给位于隔板外环25的侧面而不是盘状构件61的侧面上的间隙部分41，并且流动到下游 侧(见图5中的左侧)。此时，冷却介质CM从隔板外环25的侧面朝向内部壳体20的内表 面通过形成于盘状构件61中的孔61a喷出。通过孔61a喷出的冷却介质CM碰撞抵靠内部 壳体20的内表面以冷却内部壳体20的内表面。然后，冷却介质CM流经通孔62，并被引导 到位于隔板外环25的侧面而不是上游侧的涡轮机级的盘状构件61的侧面上的间隙部分41 中。已经通过第二涡轮机级朝向上游侧流动的冷却介质CM在由密封环31密封的蒸汽入口 管30与内部壳体20的入口部分20a的内表面之间流动，并且流动到内部壳体20与外部壳 体21之间的空间中(见图1)。并且，已经在内部壳体20与外部壳体21之间流动的冷却介 质CM被引导到例如排气通道(未示出)中。因此，冷却介质CM在内部壳体20与隔板外环25之间流动，以冷却内部壳体20和 隔板外环25。并且，隔板外环25的外表面被冷却，使得可抑制由热辐射引起的从隔板外环 25的外表面到内部壳体20的内表面的热传递。如上所述，第三实施例的蒸汽涡轮机10具有冷却介质通道60，用于使得冷却介质CM在内部壳体20与隔板外环25之间流动，从而内部壳体的内表面和隔板外环25的外表 面可被直接冷却。此外，提供具有多个孔61a的盘状构件61可引起冷却介质CM从隔板外 环25的侧面朝向内部壳体20的内表面喷出，并且引起冷却介质CM碰撞到内部壳体20的 内表面。因此，内部壳体20可被有效地冷却。由于内部壳体20如上所述被冷却，甚至在供应给蒸汽涡轮机10的蒸汽被设定至 例如从约650至750°C的温度时，内部壳体20可由例如与之前的高Cr耐热钢相同的材料构 成。因此，可抑制生产成本的增加并且可改良蒸汽涡轮机10的效率。(第四实施例)第四实施例的蒸汽涡轮机10具有与第一实施例的蒸汽涡轮机10相同的结构，不 同之处在于，上述第一实施例的蒸汽涡轮机10的冷却介质通道40中的结构进行了变化。在 此，主要描述与第一实施例的蒸汽涡轮机10的冷却介质通道40中的结构不同的冷却介质 通道70。图6是示出了包括用于描述根据第四实施例的蒸汽涡轮机10的冷却介质通道70 的结构的涡轮机转子22的中心轴线的截面(子午截面)的视图。如图6所示，冷却介质通道70配备有多个间隙部分41和连通孔71。每个间隙部 分41形成于内部壳体20的内表面与至少一个隔板外环25的外表面之间，从而每个间隙部 分41分别由突出部分28轴向分离。连通孔71形成为连通轴向邻近布置的间隙部分41。 连通孔71形成于隔板外环25和突出部分28中，从隔板外环25穿孔到突出部分28。换句 话说，连通孔71联接并连接两个轴向邻近布置的间隙部分41，以将它们连通。图6示出了冷却介质通道70的结构，其用于将通过供应管45引入到冷却介质通 道70中的冷却介质CM部分地流动到下游侧(见图6中的右侧)，且位于上游侧上的冷却介 质通道70也具有相同的结构。下面参考图6来描述流经冷却介质通道70的冷却介质CM的动作。通过供应管45引入到冷却介质通道70中的冷却介质CM部分地流经间隙部分41 到达下游侧(见图6中的右侧)(见图6中的箭头)，间隙部分41由内部壳体20的内表面 和隔板外环25的外表面形成。并且，冷却介质CM流经连通孔71，以流动到位于进一步下游 侧上的间隙部分41中，连通孔71从隔板外环25到突出部分28形成，所述间隙部分41由 位于进一步下游侧上的涡轮机级的内部壳体20的内表面和隔板外环25的外表面形成。并 且，已经通过相应于最终涡轮机级的冷却介质通道70的冷却介质CM被引导到例如排气通 道(未示出)中。同时，通过供应管45引入到冷却介质通道70中的冷却介质CM的剩余部分流经间 隙部分41到达上游侧，间隙部分41由内部壳体20的内表面和隔板外环25的外表面形成。 并且，蒸汽从突出部分28的侧面流入到连通孔71中并且流动通过连通孔71，连通孔71从 隔板外环25到突出部分28形成。并且，冷却介质CM流入到间隙部分41中，所述间隙部分 41由上游侧上的涡轮机级的内部壳体20的内表面和隔板外环25的外表面形成。换句话 说，到上游侧的冷却介质CM的流动变成其方向与由表示图6所示的冷却介质CM流动的箭 头所指示的方向相反的流动。已经通过第二涡轮机级朝向上游侧流动的冷却介质CM在由密封环31密封的蒸汽 入口管30和内部壳体20的入口部分20a的内表面之间流动，以进入到内部壳体20和外部壳体21之间的空间中(见图1)。并且，已经在内部壳体20与外部壳体21之间流动的冷却 介质CM被引导到例如排气通道(未示出)中。因此，冷却介质CM在内部壳体20与隔板外环25之间流动，以冷却内部壳体20和 隔板外环25。并且，隔板外环25的外表面被冷却，从而可抑制由热辐射引起的从隔板外环 25的外表面至内部壳体20的内表面之间的热传递。如上所述，第四实施例的蒸汽涡轮机10具有冷却介质通道70，其用于使得冷却介 质CM在内部壳体20与隔板外环25之间流动，从而内部壳体20的内表面和隔板外环25的 外表面可被直接冷却。因此，内部壳体20和隔板外环25可被有效地冷却。由于内部壳体20如上所述被冷却，甚至在供应给蒸汽涡轮机10的蒸汽被设定至 例如从约650至750°C的温度时，内部壳体20可由例如与之前的高Cr耐热钢相同的材料构 成。因此，可抑制生产成本的增加并且可改良蒸汽涡轮机10的效率。(第五实施例)根据第五实施例的蒸汽涡轮机10具有未配备有冷却装置的结构，该冷却装置基 于上述第一实施例的蒸汽涡轮机10中的冷却介质。因此，第五实施例的蒸汽涡轮机10具 有未配备有供应管45、冷却介质通道40、冷却介质防泄漏构件33以及用于将图1所示的冷 却介质防泄漏构件固定的固定沟槽34的结构。第五实施例的蒸汽涡轮机10配备有绝热机构80而不是基于根据上述第一实施例 至第四实施例的蒸汽涡轮机中配备的冷却介质的冷却装置。图7是示出了包括用于描述根据第五实施例的蒸汽涡轮机10的绝热机构80的涡 轮机转子22的中心轴线的截面(子午截面)的视图。如图7所示，突出部分28的上游侧表面28a包括绝热机构80，上游侧表面28a与 隔板外环25的下游侧表面25a接触。不是突出部分28的上游侧表面28a具有绝热机构 80，而是隔板外环25的下游侧表面25a可包括绝热机构80，下游侧表面25a与突出部分28 的上游侧表面28a接触。或者，突出部分28的上游侧表面28a和隔板外环25的下游侧表 面25a均可包括绝热机构80。绝热机构80使得难以将热量从隔板外环25传递到突出部分28，突出部分28设置 成与绝热机构80接触。通过具有例如其导热率小于在突出部分28的上游侧表面28a处配 置内部壳体20 (包括突出部分28)的材料的导热率的构件，配置绝热机构80，所述构件接触 隔板外环25的下游侧表面25a。内部壳体20由例如高Cr耐热钢的材料构成，使得绝热机 构80可由具有导热率小于其的材料构成。在该情形中，可通过形成薄膜来配置绝热机构80，该薄膜通过将具有低导热率的 上述材料喷射或涂覆到突出部分28的上游侧表面28a来实现，上游侧表面28a与隔板外环 25的下游侧表面25a接触。并且，绝热机构80可通过将具有低导热率的上述材料制成的两 个半圆形的盘状构件相结合而由具有圆形形状(环形形状)的构件构成。例如，该半圆形 盘状构件通过固定到沟槽中并焊接于其上来固定，该沟槽在突出部分28的上游侧表面28a 中沿着圆周方向形成，该构件与隔板外环25的下游侧表面25a接触。例如通过将突出部分28的上游侧表面28a的表面粗糙度增加至大于隔板外环25 的下游侧表面25a的表面粗糙度以减少隔板外环25的下游侧表面25a与突出部分28的上 游侧表面28a之间的接触面积，从而可构造绝热机构80。通过将隔板外环25的下游侧表面25a的表面粗糙度增加至大于突出部分28的上游侧表面28a的表面粗糙度可构造绝热 机构80。表面粗糙度优选地调节成，使得隔板外环25的下游侧表面25a与突出部分28的 上游侧表面28a之间的接触面积变成在两个表面整体地完全接触时的接触面积的70%或 者更低。这是因为在接触面积超过它时绝热效果降低。如上所述，根据第五实施例的蒸汽涡轮机10，从隔板外环25至突出部分28的热 传导被抑制，且通过将与隔板外环25的下游侧表面25a接触的突出部分28的上游侧表面 28a确定为绝热机构80，可抑制内部壳体20的温度。因此，由于内部壳体20的温度可被抑制不增加，甚至在供应给蒸汽涡轮机10的蒸 汽温度被设定为例如约650至750°C时，内部壳体可由例如之前的高Cr耐热钢相同的材料 构成。因此，可抑制生产成本不增加并可改良蒸汽涡轮机10的效率。绝热机构80可应用到上述第一实施例至第四实施例的蒸汽涡轮机。具体地说，与 隔板外环25的下游侧表面25a接触的突出部分28的上游侧表面28a可被确定为上述绝热 机构80。因此，冷却介质CM的冷却效果和绝热机构80的绝热效果都可实现，且可抑制内部 壳体20的温度不有效地升高。虽然已经描述了一些实施例，但是这些实施例仅通过示例来呈现并且不旨在限制 本发明的范围。当然，本文所描述的新式方法和系统可以各种其它形式来实施，并且，可进 行本文所描述方法和系统的各种省略、替代和变化而不偏离本发明的精神。附图及其等效 物旨在覆盖会落入本发明的范围和精神内的这种形式和变化。
权利要求
1.一种蒸汽涡轮机，包括双层结构壳体，所述双层结构壳体包括内部壳体和外部壳体；蒸汽入口管，所述蒸汽入口管布置成在外部壳体的入口部分与内部壳体的入口部分之 间连通；涡轮机转子，所述涡轮机转子可操作地布置在内部壳体中，所述涡轮机转子植入有多 级动叶片；多级静叶片，所述多级静叶片沿圆周方向配置在隔板外环与隔板内环之间，所述静叶 片级与所述动叶片级在涡轮机转子的轴线方向上分别交错排布；冷却介质通道，所述冷却介质通道形成于内部壳体与隔板外环之间，以使得冷却介质 流动；供应管，所述供应管将冷却介质供应给冷却介质通道；以及排气通道，所述排气通道将已经流经最终级动叶片的工作流体引导到外部壳体之外。
2.根据权利要求1所述的蒸汽涡轮机，其特征在于，内部壳体包括相对于涡轮机转子 朝向内径向方向沿圆周突出的多个突出部分，每个突出部分分别相应于相应的一级涡轮机 静叶片，其中每个突出部分的上游侧表面分别接触相应的一个隔板外环的下游侧表面；且 其中冷却介质通道包括多个间隙部分，每个间隙部分形成于内部壳体的内表面和隔板外环的外表面之间；和 沟槽部分，所述沟槽部分径向形成于至少一个隔板外环的与突出部分的上游侧表面接 触的下游侧表面中，沟槽部分联接邻近的间隙部分以将它们连通。
3.根据权利要求1所述的蒸汽涡轮机，其特征在于，内部壳体包括相对于涡轮机转子 朝向内径向方向沿圆周突出的多个突出部分，每个突出部分分别相应于相应的一个涡轮机 静叶片，其中，每个突出部分的上游侧表面分别接触相应的一个隔板外环的下游侧表面；且 其中冷却介质通道包括多个间隙部分，每个间隙部分形成于内部壳体的内表面和隔板外环的外表面之间；和 通孔，所述通孔形成于突出部分中，所述通孔联接邻近的间隙部分以将它们连通。
4.根据权利要求3所述的蒸汽涡轮机，还包括盘状构件，所述盘状构件形成有多个孔并且在圆周方向上布置在内部壳体的内表面与 隔板外环的外表面之间位于间隙部分中；其中通孔的冷却介质的入口布置在盘状构件与内部壳体的内表面之间； 其中通孔的冷却介质的出口布置在隔板外环的外表面与盘状构件之间；以及 其中冷却介质从隔板外环的侧面经由盘状构件中的多个孔朝向内部壳体的内表面流动。
5.根据权利要求1所述的蒸汽涡轮机，其特征在于，内部壳体包括相对于涡轮机转子 朝向内径向方向沿圆周突出的多个突出部分，每个突出部分分别相应于相应的一个涡轮机 静叶片，其中，每个突出部分的上游侧表面分别接触相应的一个隔板外环的下游侧表面；且 其中冷却介质通道包括多个间隙部分，每个间隙部分形成于内部壳体的内表面和至少一个隔板外环的外表面之间；和连通孔，所述连通孔形成于隔板外环和突出部分两者之中，所述连通孔联接邻近的间 隙部分以将它们连通。
6.根据权利要求2-5中任一项所述的蒸汽涡轮机，还包括绝热机构，所述绝热机构配 备在突出部分的上游侧表面和隔板外环的下游侧表面中的至少一个上。
7.根据权利要求6所述的蒸汽涡轮机，其特征在于，绝热机构包括构件，所述构件的导 热率小于内部壳体或隔板外环的材料的导热率。
8.根据权利要求2-5中任一项所述的蒸汽涡轮机，其特征在于，隔板外环的下游侧表 面和突出部分的上游侧表面中任一个的接触表面的表面粗糙度大于另一接触表面的表面 粗糙度，以减少接触表面的接触面积。
9.一种蒸汽涡轮机，包括双层结构壳体，所述双层结构壳体包括外部壳体和内部壳体；蒸汽入口管，所述蒸汽入口管布置成在外部壳体的入口部分与内部壳体的入口部分之 间连通；涡轮机转子，所述涡轮机转子可操作地布置在内部壳体中，所述涡轮机转子植入有多 级动叶片；多级静叶片，所述多级静叶片沿圆周方向配置在隔板外环与隔板内环之间，所述静叶 片级与动叶片级在涡轮机转子的轴线方向上分别交错排布；多个突出部分，所述多个突出部分相对于涡轮机转子朝向内径向方向沿圆周突出，每 个突出部分分别相应于相应的一个涡轮机静叶片；和排气通道，所述排气通道将已经流经最终级动叶片的工作流体引导到外部壳体之外； 其中，每个突出部分的上游侧表面分别与相应的一个隔板外环的下游侧表面接触；以及其中，绝热机构配置在突出部分的上游侧表面和隔板外环的下游侧表面中的至少一个处。
10.根据权利要求9所述的蒸汽涡轮机，其特征在于，绝热机构包括构件，所述构件的 导热率小于内部壳体或隔板外环的材料的导热率。
11.根据权利要求9所述的蒸汽涡轮机，其特征在于，隔板外环的下游侧表面和突出部 分的上游侧表面中的任一个的接触表面的表面粗糙度大于另一接触表面的表面粗糙度，以 减少接触表面的接触面积。
12.—种冷却蒸汽涡轮机的方法，所述蒸汽涡轮机包括 双层结构壳体，所述双层结构壳体包括外部壳体和内部壳体；蒸汽入口管，所述蒸汽入口管布置成在外部壳体的入口部分与内部壳体的入口部分之 间连通；涡轮机转子，所述涡轮机转子可操作地布置在内部壳体中，所述涡轮机转子植入有多 级动叶片；多级静叶片，所述多级静叶片沿圆周方向配置在隔板外环与隔板内环之间，所述静叶 片级与动叶片级在涡轮机转子的轴线方向上分别交错排布；和排气通道，所述排气通道将已经通过最终级动叶片的工作流体引导到外部壳体之外；其中，所述方法包括通过将冷却介质经由供应管引入到形成于内部壳体与隔板外环之 间的冷却介质通道中来直接冷却内部壳体和隔板外环。
13. 一种蒸汽涡轮机的绝热方法，所述蒸汽涡轮机包括 双层结构壳体，所述双层结构壳体包括外部壳体和内部壳体；蒸汽入口管，所述蒸汽入口管布置成在外部壳体的入口部分与内部壳体的入口部分之 间连通；涡轮机转子，所述涡轮机转子可操作地布置在内部壳体中，所述涡轮机转子植入有多 级动叶片；多级静叶片，所述多级静叶片沿圆周方向配置在隔板外环与隔板内环之间，所述静叶 片级与动叶片级在涡轮机转子的轴线方向上分别交错排布；多个突出部分，所述多个突出部分相对于涡轮机转子朝向内径向方向沿圆周突出，每 个突出部分分别相应于相应的一级涡轮机静叶片，其中每个突出部分的上游侧表面分别接 触相应的一个隔板外环的下游侧表面；和排气通道，所述排气通道将已经通过最终级动叶片的工作流体引导到外部壳体之外； 其中，所述方法包括在突出部分的上游侧表面和隔板外环的下游侧表面中的至少一个 处配置绝热机构，以阻碍从隔板外环至突出部分的热传递。
全文摘要
本发明涉及蒸汽涡轮机、蒸汽涡轮机的冷却及绝热方法。蒸汽涡轮机配备双层结构，所述双层结构包括内部壳体和外部壳体。涡轮机转子沿圆周方向植入有多级动叶片，并且可操作地布置在内部壳体中。隔板外环和隔板内环沿着圆周方向布置在内部壳体中。静叶片沿圆周方向布置在隔板外环与隔板内环之间，使得隔板外环、隔板内环和静叶片形成静叶片级。静叶片级与动叶片级在涡轮机转子的轴线方向上交错排布。用于传送冷却介质的冷却介质通道形成于内部壳体与隔板外环之间，冷却介质通过供应管来供给。
文档编号F01D25/12GK101994529SQ20101024686
公开日2011年3月30日 申请日期2010年8月4日 优先权日2009年8月7日
发明者和田国彦, 山下胜也, 池田一隆, 犬饲隆夫, 猪亦麻子, 须贺威夫, 齐藤和宏 申请人:株式会社东芝