专利名称：涡轮轴及其冷却方法
技术领域：
本发明涉及一种涡轮轴，它沿一主轴线延伸并有一外表面，以及本发明还涉及涡轮轴的冷却方法。
采用高压高温蒸汽，尤其是处于具有例如温度高于550℃的所谓超临界蒸汽状态的蒸汽，有助于提高蒸汽涡轮的效率。采用处于这种蒸汽状态的蒸汽，对于蒸汽涡轮载荷较大的涡轮轴提出了更高的要求。
在与EP 0088944 B1相对应的DE 3209506 A1中介绍了一种用于涡轮轴一个区域借助于旋流冷却的轴保护装置，新汽流入涡轮后直接作用在涡轮轴上。在旋流冷却时，蒸汽经轴保护装置的四个切向孔沿着涡轮轴的旋转方向流入轴保护装置与涡轮轴之间的区域内。在此，蒸汽膨胀，温度下降，从而冷却了涡轮轴。轴保护装置蒸汽密封地与导向叶片排连接。通过旋流冷却，涡轮轴的温度下降在转子防护层附近可达约15K。为了进行旋流冷却，在轴保护装置中加工一些喷嘴，它们沿涡轮轴的旋转方向看为切向地通往涡轮轴与轴保护装置之间形成的环形通道内。
本发明的目的在于提供一种涡轮轴，它在一个热负荷高的区域可以得到冷却。本发明另一个目的在于提供一种冷却装设在涡轮内的涡轮轴的方法。
为了达到针对沿一主轴线延伸并有一外表面的涡轮轴提出的目的，采取的措施是，令此涡轮轴有多个沿主轴线轴向连续排列的圆柱形轴段，它们沿一公共的连接轴线分别有一连接孔，一个拉紧件穿过这些连接孔。在拉紧件与至少一个轴段之间形成一个轴向缝隙，它与两个沿轴向彼此相隔一定距离的径向通道尤其是径向缝隙流动上连通，这些径向通道分别通向外表面。
因此在这种涡轮轴中，涡轮轴的外表面与位于其内部的一个轴向缝隙之间在流动上是连通的。这样一来冷却流体便能流入涡轮轴的内部，并可通过此轴向缝隙沿轴向流过涡轮轴，从而保证在轴向缝隙的区域内冷却涡轮轴。在这种情况下，对于蒸汽涡轮而言此冷却流体最好是一种工作流体(工业用汽)，它通过流经与涡轮轴连接的工作叶片使涡轮轴旋转。这些径向通道最好以不同的压力水平与涡轮轴外表面相通，所以由于压降便已经自动形成穿过涡轮轴的流动。通过径向通道在外表面出口的几何配置，可以使从工作流体分流出来的冷却流体容积流量与所要求的冷却功率相适应。在这种情况下为冷却所抽取的工作流体(工业用汽)仅借助于径向通道之间存在的压差进行工作，不产生用于驱动涡轮轴的机械功。在经过有较低压力水平的径向通道流回工作流体的流动中去之后，曾用作冷却流体的工作流体重新作出机械功，并因而有助于提高蒸汽涡轮的效率。
圆柱形轴段(下文亦称为转子叶轮盘)最好分别具有一中心连接孔，唯一的一个连接件即贯穿拉杆穿过此连接孔。在这种情况下连接孔有一个比贯穿拉杆大的横截面，所以在轴段与贯穿拉杆之间有利地构成了一个沿轴向的环形缝隙，用来流过冷却流体。
在原则上同样有可能的是设置多个尤其是三个或三个以上的连接件(贯穿拉杆)。连接件各自的连接轴线平行于涡轮轴的主轴线。各连接轴线最好布置在一个圆上，该圆的中心与主轴线重合。
最好在两个彼此直接接壤的轴段之间构成至少一个径向通道，尤其为两个径向通道。这例如这样来实现，即，在彼此邻接的轴段内制相应的浅窝、空缺或凹槽。当然，也可以通过一个基本上沿径向从外表面到连接孔穿过轴段的孔来实现径向通道。在这里，径向意味着最好垂直于主轴线，当然也包括外表面与连接孔之间至少部分沿主轴线方向的任何连通。
涡轮轴最好规定用于双流道的涡轮，并相应地有一轴向中区，工作流体在流入涡轮后直接到达此中区，并在那里分成两个基本上相同的分流。沿轴向的中区最好沿轴向设在径向通道之间。受处于最高温度下的工作流体作用的中区最好有一可流过冷却流体的空腔。空腔最好设计为相对于主轴线旋转对称。它用一屏蔽件封闭，为了分流，屏蔽件有一旋转对称的隆凸。此空腔在流动上与轴向缝隙连通。同样可能的是使冷却流体经由涡轮外壳及将此屏蔽件固定在此外壳上的固定装置外壳供入。
涡轮轴最好装设在一蒸汽涡轮尤其一双流道中压汽轮机段的里面。通过沿整个中区构成的流动通路，其中包括两个沿轴向彼此隔开一定距离的径向通道和与之在流动上连通的轴向通道，保证了涡轮轴中区的冷却。尤其是起冷却流体作用的工作流体，在较低的压力水平下从一个流道的分流进入第二个流道的分流中。因此作为冷却流体使用的工作流体重新导入总的蒸汽循环并因此对总过程的效率作出贡献。
为达到针对涡轮轴的冷却方法提出的目的采取的措施是，在具有多个沿主轴线轴向连续排列并用一拉紧件互相夹紧的圆柱形轴段的涡轮轴中，令冷却流体通过第一径向通道流入拉紧件与轴段之间的一个轴向缝隙中，并经第二径向通道从涡轮轴引出。因此，如上面已阐明的那样，涡轮轴在其运行期间的一个高的热负荷区可从内部得到冷却。所以这样一种涡轮轴也适用于蒸汽进口温度高于600℃的蒸汽轮机设备。为了实施相应的冷却功率，向此轴向缝隙供入一定容积流量的冷却流体，此容积流量在全部新汽容积流量的1％至4％之间，尤其在1.5％与3％之间。
下面借助附图
所示实施例对涡轮轴及其冷却方法作进一步说明。
唯一的图为具有涡轮轴的涡轮机的局部纵剖视图。
在此唯一的图中，示出一汽轮机设备的双流道中压汽轮机段10的局部纵剖面。在外壳18内装有涡轮轴1。涡轮轴1沿主轴线2延伸并有多个沿轴向连续排列的轴段4a、4b、4c、4d、4e。每一个轴段4a、4b各有一围绕主轴线2的连接孔6。连接孔6总是有相同的横截面以及彼此之间和相对于主轴线2均同心地布置。沿连接轴线5有一拉紧件7即贯穿拉杆穿过这些连接孔。在图中所表示的实施例的情况下，连接轴线5与主轴线2是重合的。但原则上也可以设多个尤其是三个以上的拉紧件7，它们穿过各自对应的连接孔6。贯穿拉杆7固定在图中没有表示的最靠外的那个轴段上，从而实现沿轴向将轴段4a、4b、4c、4d互相夹紧。因此，贯穿拉杆7最好制有图中没有表示的螺纹，在此螺纹上拧上一个图中同样没有表示的夹紧螺母。为避免相邻轴段4a、4b沿周向相对运动，它们可通过端齿连接尤其是端面槽齿(Hirth齿)防止旋转地互相连接起来。连接孔6的横截面总是大于贯穿拉杆7的横截面，所以在有关的轴段4a与贯穿拉杆7之间留下了一个轴向缝隙8，尤其是一环状缝隙。沿着轴段4a、4b等形成了涡轮轴1的外表面3。在外表面3的范围内，彼此邻接的轴段4a、4d；4a、4b通过各自的密封焊接16使流体不可渗透地互相连接起来。最好两对彼此相邻的轴段4d、4e；4b、4c彼此设置成在它们之间留有一个总是沿径向的通道9a、9b。
围绕涡轮轴1的外壳18有一个新汽12的入流区19。涡轮轴1有一中区11与此入流区19相配合，在此中区11内制有一空腔13。此空腔13及涡轮轴1的中区11面对着通过入流区19流入的热的工作流体12(新汽)，故借助于一保护件17防止其与工作流体12直接接触。保护件17设计为相对主轴线2旋转对称，并有一个从主轴线2向外指的隆凸。此保护件17用于将工作流体12即新汽分成两个大体相同的分流。保护件17通过每个分流的第一个导向叶片排14与外壳18连接。冷却流体通过图中没有表示的冷却流体供入装置经过外壳18、第一导向叶片排14及保护件17流入空腔13，并在即里促使冷却涡轮轴1的中区11。在此空腔13内，冷却流体可由于与工作流体12热交换而被加热，并经由图中没有表示的流体导出装置重新流入蒸汽循环。
沿工作流体12的流动方向，如在蒸汽轮机中一般的情况那样，交替地沿轴向连续排列着与涡轮轴1连接的工作叶片排15和与外壳18连接的导向叶片排14。涡轮轴1的冷却，尤其在中区11内还从内向外进行，这是通过已略有膨胀的工作流体12经第一径向通道9a流入贯穿拉杆7与轴段4d、4a、4b之间的轴向缝隙8内来进行的。工作流体12的这一分流起冷却流体12b的作用，它首先被朝着与图左方流动的分流的流动方向相反的方向导引。此冷却流体12b通过第二径向缝隙9b在一个压力较低的地方流入方向向右流动的分流中，并因而在还要流过的工作叶片15处重新作功。在图中所表示的涡轮10中，冷却流体12b可通过第一径向通道9a在压力约11巴和温度约400℃的情况下从向左方流动的分流中引出，并在压力水平低于11巴的情况下重新供入向右方流动的分流中。同样有可能的是，为了冷却的目的将轴向缝隙8在流动上与空腔13连接起来。最好向轴向缝隙8供入占驱动涡轮轴的总新汽体积流量1％至4％尤其1.5％至3％的容积流量分量。
本发明的特征在于一涡轮轴有多个沿轴向连续排列并互相夹紧的轴段，在这些轴段的内部设一沿轴向的缝隙。此缝隙通过在两个不同压力水平处的径向通道与驱动涡轮轴的工作流体在流动上连通。这些径向通道最好位于每两个轴段彼此邻接的地方。由于有关的径向缝隙通达的涡轮轴外表面处压力水平有差异，故已经能从工作流体(新汽)中分出一个由压差推动的冷却流体分流。由新汽流中分出的冷却蒸汽流经第一径向通道到达轴向缝隙内，再从那里经第二径向通道重新回到新汽流中。因此，涡轮轴与轴向缝隙相邻的区域从里向外地得到冷却，而曾用于冷却的冷却流体又被重新输入总的蒸汽循环中。
权利要求
1．一种沿一主轴线(2)延伸并有一外表面(3)的涡轮轴(1)，其具有多个沿主轴线(2)轴向连续排列的圆柱形轴段(4a、4b、4c、4d、4e)，它们沿一公共的连接轴线(5)各有一连接孔(6)，一个拉紧件(7)穿过这些连接孔，其中，在拉紧件(7)与至少一个轴段(4a、4b、4c)之间形成一轴向缝隙(8)，以及设有两个沿轴向彼此相隔一定距离的径向通道(9a、9b)，它们在流动技术上与此轴向缝隙(8)连通并分别通往外表面(3)。
2．按照权利要求1所述的涡轮轴(1)，其中，所述连接件(7)是一中央贯穿拉杆，对此贯穿拉杆而言主轴线(2)与连接轴线(5)重合。
3．按照权利要求1所述的涡轮轴(1)，其中，至少设有三个连接件(7)，它们各自的连接轴线(5)平行于主轴线(3)定向。
4．按照上述任一项权利要求所述的涡轮轴(1)，其中，至少在两个互相邻接的轴段(4b、4c；4d、4e)之间设一个径向通道(9a、9b)。
5．按照上述任一项权利要求所述的涡轮轴(1)，用于一双流道的涡轮(10)，该涡轮具有一沿轴向的中区(11)用于工作流体(12)的入流和分流，该中区沿轴向安排在所述径向通道(9a、9b)之间。
6．按照权利要求5所述的涡轮轴(1)，其中，在此中区(11)设有一可流过冷却流体(12b)的空腔(13)。
7．按照权利要求6所述的涡轮轴(1)，其中，所述空腔(13)在流动上与轴向缝隙(8)连通。
8．按照上述任一项权利要求所述的涡轮轴(1)可设在一蒸汽涡轮(15)中，尤其是在一双流道中压汽轮机段中。
9．一种用于冷却一涡轮轴(1)的方法，该涡轮轴有多个沿主轴线(2)轴向连续排列的圆柱形轴段(4a、4b、4c、4d、4e)，它们借助于拉紧件(7)互相夹紧在一起，其中，冷却流体(12a)通过第一径向通道(9a)流入拉紧件(7)与轴段(4a)之间的轴向缝隙(8)中，并通过第二径向通道(9b)从涡轮轴(1)引出。
10．按照权利要求9所述的方法，其中，在一蒸汽涡轮(10)中向轴向缝隙(8)供入作为冷却流体(12b)的蒸汽容积流量，占总新汽容积流量的1％至4％，尤其是1.5％至3％。
全文摘要
本发明涉及一种涡轮轴(1)，它沿一主轴线(2)延伸并有一外表面(3)。此涡轮轴(1)由多个沿轴向连续排列的圆柱形轴段(4)组成，这些轴段借助于一拉紧件(7)互相夹紧。在拉紧件(7)与至少一个轴段(4a、4b、4c)之间形成一轴向缝隙(8)，它在流动上与两个沿轴向彼此相隔一定距离的径向缝隙(9a、9b)连通。这些径向缝隙(9a、9b)分别通往涡轮轴(1)的外表面(3)。本发明还涉及一种冷却涡轮轴(1)的方法。
文档编号F01D9/00GK1228134SQ97197351
公开日1999年9月8日 申请日期1997年5月12日 优先权日1996年6月21日
发明者安德烈亚斯·费尔德米勒, 赫尔穆特·波拉克 申请人:西门子公司