專利名稱：渦輪軸及其冷卻方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種渦輪軸，它沿一主軸線延伸并有一外表面，以及本發(fā)明還涉及渦輪軸的冷卻方法。
采用高壓高溫蒸汽，尤其是處于具有例如溫度高于550℃的所謂超臨界蒸汽狀態(tài)的蒸汽，有助于提高蒸汽渦輪的效率。采用處于這種蒸汽狀態(tài)的蒸汽，對于蒸汽渦輪載荷較大的渦輪軸提出了更高的要求。
在與EP 0088944 B1相對應(yīng)的DE 3209506 A1中介紹了一種用于渦輪軸一個區(qū)域借助于旋流冷卻的軸保護(hù)裝置，新汽流入渦輪后直接作用在渦輪軸上。在旋流冷卻時，蒸汽經(jīng)軸保護(hù)裝置的四個切向孔沿著渦輪軸的旋轉(zhuǎn)方向流入軸保護(hù)裝置與渦輪軸之間的區(qū)域內(nèi)。在此，蒸汽膨脹，溫度下降，從而冷卻了渦輪軸。軸保護(hù)裝置蒸汽密封地與導(dǎo)向葉片排連接。通過旋流冷卻，渦輪軸的溫度下降在轉(zhuǎn)子防護(hù)層附近可達(dá)約15K。為了進(jìn)行旋流冷卻，在軸保護(hù)裝置中加工一些噴嘴，它們沿渦輪軸的旋轉(zhuǎn)方向看為切向地通往渦輪軸與軸保護(hù)裝置之間形成的環(huán)形通道內(nèi)。
本發(fā)明的目的在于提供一種渦輪軸，它在一個熱負(fù)荷高的區(qū)域可以得到冷卻。本發(fā)明另一個目的在于提供一種冷卻裝設(shè)在渦輪內(nèi)的渦輪軸的方法。
為了達(dá)到針對沿一主軸線延伸并有一外表面的渦輪軸提出的目的，采取的措施是，令此渦輪軸有多個沿主軸線軸向連續(xù)排列的圓柱形軸段，它們沿一公共的連接軸線分別有一連接孔，一個拉緊件穿過這些連接孔。在拉緊件與至少一個軸段之間形成一個軸向縫隙，它與兩個沿軸向彼此相隔一定距離的徑向通道尤其是徑向縫隙流動上連通，這些徑向通道分別通向外表面。
因此在這種渦輪軸中，渦輪軸的外表面與位于其內(nèi)部的一個軸向縫隙之間在流動上是連通的。這樣一來冷卻流體便能流入渦輪軸的內(nèi)部，并可通過此軸向縫隙沿軸向流過渦輪軸，從而保證在軸向縫隙的區(qū)域內(nèi)冷卻渦輪軸。在這種情況下，對于蒸汽渦輪而言此冷卻流體最好是一種工作流體(工業(yè)用汽)，它通過流經(jīng)與渦輪軸連接的工作葉片使渦輪軸旋轉(zhuǎn)。這些徑向通道最好以不同的壓力水平與渦輪軸外表面相通，所以由于壓降便已經(jīng)自動形成穿過渦輪軸的流動。通過徑向通道在外表面出口的幾何配置，可以使從工作流體分流出來的冷卻流體容積流量與所要求的冷卻功率相適應(yīng)。在這種情況下為冷卻所抽取的工作流體(工業(yè)用汽)僅借助于徑向通道之間存在的壓差進(jìn)行工作，不產(chǎn)生用于驅(qū)動渦輪軸的機(jī)械功。在經(jīng)過有較低壓力水平的徑向通道流回工作流體的流動中去之后，曾用作冷卻流體的工作流體重新作出機(jī)械功，并因而有助于提高蒸汽渦輪的效率。
圓柱形軸段(下文亦稱為轉(zhuǎn)子葉輪盤)最好分別具有一中心連接孔，唯一的一個連接件即貫穿拉桿穿過此連接孔。在這種情況下連接孔有一個比貫穿拉桿大的橫截面，所以在軸段與貫穿拉桿之間有利地構(gòu)成了一個沿軸向的環(huán)形縫隙，用來流過冷卻流體。
在原則上同樣有可能的是設(shè)置多個尤其是三個或三個以上的連接件(貫穿拉桿)。連接件各自的連接軸線平行于渦輪軸的主軸線。各連接軸線最好布置在一個圓上，該圓的中心與主軸線重合。
最好在兩個彼此直接接壤的軸段之間構(gòu)成至少一個徑向通道，尤其為兩個徑向通道。這例如這樣來實現(xiàn)，即，在彼此鄰接的軸段內(nèi)制相應(yīng)的淺窩、空缺或凹槽。當(dāng)然，也可以通過一個基本上沿徑向從外表面到連接孔穿過軸段的孔來實現(xiàn)徑向通道。在這里，徑向意味著最好垂直于主軸線，當(dāng)然也包括外表面與連接孔之間至少部分沿主軸線方向的任何連通。
渦輪軸最好規(guī)定用于雙流道的渦輪，并相應(yīng)地有一軸向中區(qū)，工作流體在流入渦輪后直接到達(dá)此中區(qū)，并在那里分成兩個基本上相同的分流。沿軸向的中區(qū)最好沿軸向設(shè)在徑向通道之間。受處于最高溫度下的工作流體作用的中區(qū)最好有一可流過冷卻流體的空腔?？涨蛔詈迷O(shè)計為相對于主軸線旋轉(zhuǎn)對稱。它用一屏蔽件封閉，為了分流，屏蔽件有一旋轉(zhuǎn)對稱的隆凸。此空腔在流動上與軸向縫隙連通。同樣可能的是使冷卻流體經(jīng)由渦輪外殼及將此屏蔽件固定在此外殼上的固定裝置外殼供入。
渦輪軸最好裝設(shè)在一蒸汽渦輪尤其一雙流道中壓汽輪機(jī)段的里面。通過沿整個中區(qū)構(gòu)成的流動通路，其中包括兩個沿軸向彼此隔開一定距離的徑向通道和與之在流動上連通的軸向通道，保證了渦輪軸中區(qū)的冷卻。尤其是起冷卻流體作用的工作流體，在較低的壓力水平下從一個流道的分流進(jìn)入第二個流道的分流中。因此作為冷卻流體使用的工作流體重新導(dǎo)入總的蒸汽循環(huán)并因此對總過程的效率作出貢獻(xiàn)。
為達(dá)到針對渦輪軸的冷卻方法提出的目的采取的措施是，在具有多個沿主軸線軸向連續(xù)排列并用一拉緊件互相夾緊的圓柱形軸段的渦輪軸中，令冷卻流體通過第一徑向通道流入拉緊件與軸段之間的一個軸向縫隙中，并經(jīng)第二徑向通道從渦輪軸引出。因此，如上面已闡明的那樣，渦輪軸在其運(yùn)行期間的一個高的熱負(fù)荷區(qū)可從內(nèi)部得到冷卻。所以這樣一種渦輪軸也適用于蒸汽進(jìn)口溫度高于600℃的蒸汽輪機(jī)設(shè)備。為了實施相應(yīng)的冷卻功率，向此軸向縫隙供入一定容積流量的冷卻流體，此容積流量在全部新汽容積流量的1％至4％之間，尤其在1.5％與3％之間。
下面借助附圖
所示實施例對渦輪軸及其冷卻方法作進(jìn)一步說明。
唯一的圖為具有渦輪軸的渦輪機(jī)的局部縱剖視圖。
在此唯一的圖中，示出一汽輪機(jī)設(shè)備的雙流道中壓汽輪機(jī)段10的局部縱剖面。在外殼18內(nèi)裝有渦輪軸1。渦輪軸1沿主軸線2延伸并有多個沿軸向連續(xù)排列的軸段4a、4b、4c、4d、4e。每一個軸段4a、4b各有一圍繞主軸線2的連接孔6。連接孔6總是有相同的橫截面以及彼此之間和相對于主軸線2均同心地布置。沿連接軸線5有一拉緊件7即貫穿拉桿穿過這些連接孔。在圖中所表示的實施例的情況下，連接軸線5與主軸線2是重合的。但原則上也可以設(shè)多個尤其是三個以上的拉緊件7，它們穿過各自對應(yīng)的連接孔6。貫穿拉桿7固定在圖中沒有表示的最靠外的那個軸段上，從而實現(xiàn)沿軸向?qū)⑤S段4a、4b、4c、4d互相夾緊。因此，貫穿拉桿7最好制有圖中沒有表示的螺紋，在此螺紋上擰上一個圖中同樣沒有表示的夾緊螺母。為避免相鄰軸段4a、4b沿周向相對運(yùn)動，它們可通過端齒連接尤其是端面槽齒(Hirth齒)防止旋轉(zhuǎn)地互相連接起來。連接孔6的橫截面總是大于貫穿拉桿7的橫截面，所以在有關(guān)的軸段4a與貫穿拉桿7之間留下了一個軸向縫隙8，尤其是一環(huán)狀縫隙。沿著軸段4a、4b等形成了渦輪軸1的外表面3。在外表面3的范圍內(nèi)，彼此鄰接的軸段4a、4d；4a、4b通過各自的密封焊接16使流體不可滲透地互相連接起來。最好兩對彼此相鄰的軸段4d、4e；4b、4c彼此設(shè)置成在它們之間留有一個總是沿徑向的通道9a、9b。
圍繞渦輪軸1的外殼18有一個新汽12的入流區(qū)19。渦輪軸1有一中區(qū)11與此入流區(qū)19相配合，在此中區(qū)11內(nèi)制有一空腔13。此空腔13及渦輪軸1的中區(qū)11面對著通過入流區(qū)19流入的熱的工作流體12(新汽)，故借助于一保護(hù)件17防止其與工作流體12直接接觸。保護(hù)件17設(shè)計為相對主軸線2旋轉(zhuǎn)對稱，并有一個從主軸線2向外指的隆凸。此保護(hù)件17用于將工作流體12即新汽分成兩個大體相同的分流。保護(hù)件17通過每個分流的第一個導(dǎo)向葉片排14與外殼18連接。冷卻流體通過圖中沒有表示的冷卻流體供入裝置經(jīng)過外殼18、第一導(dǎo)向葉片排14及保護(hù)件17流入空腔13，并在即里促使冷卻渦輪軸1的中區(qū)11。在此空腔13內(nèi)，冷卻流體可由于與工作流體12熱交換而被加熱，并經(jīng)由圖中沒有表示的流體導(dǎo)出裝置重新流入蒸汽循環(huán)。
沿工作流體12的流動方向，如在蒸汽輪機(jī)中一般的情況那樣，交替地沿軸向連續(xù)排列著與渦輪軸1連接的工作葉片排15和與外殼18連接的導(dǎo)向葉片排14。渦輪軸1的冷卻，尤其在中區(qū)11內(nèi)還從內(nèi)向外進(jìn)行，這是通過已略有膨脹的工作流體12經(jīng)第一徑向通道9a流入貫穿拉桿7與軸段4d、4a、4b之間的軸向縫隙8內(nèi)來進(jìn)行的。工作流體12的這一分流起冷卻流體12b的作用，它首先被朝著與圖左方流動的分流的流動方向相反的方向?qū)б?。此冷卻流體12b通過第二徑向縫隙9b在一個壓力較低的地方流入方向向右流動的分流中，并因而在還要流過的工作葉片15處重新作功。在圖中所表示的渦輪10中，冷卻流體12b可通過第一徑向通道9a在壓力約11巴和溫度約400℃的情況下從向左方流動的分流中引出，并在壓力水平低于11巴的情況下重新供入向右方流動的分流中。同樣有可能的是，為了冷卻的目的將軸向縫隙8在流動上與空腔13連接起來。最好向軸向縫隙8供入占驅(qū)動渦輪軸的總新汽體積流量1％至4％尤其1.5％至3％的容積流量分量。
本發(fā)明的特征在于一渦輪軸有多個沿軸向連續(xù)排列并互相夾緊的軸段，在這些軸段的內(nèi)部設(shè)一沿軸向的縫隙。此縫隙通過在兩個不同壓力水平處的徑向通道與驅(qū)動渦輪軸的工作流體在流動上連通。這些徑向通道最好位于每兩個軸段彼此鄰接的地方。由于有關(guān)的徑向縫隙通達(dá)的渦輪軸外表面處壓力水平有差異，故已經(jīng)能從工作流體(新汽)中分出一個由壓差推動的冷卻流體分流。由新汽流中分出的冷卻蒸汽流經(jīng)第一徑向通道到達(dá)軸向縫隙內(nèi)，再從那里經(jīng)第二徑向通道重新回到新汽流中。因此，渦輪軸與軸向縫隙相鄰的區(qū)域從里向外地得到冷卻，而曾用于冷卻的冷卻流體又被重新輸入總的蒸汽循環(huán)中。
權(quán)利要求
1．一種沿一主軸線(2)延伸并有一外表面(3)的渦輪軸(1)，其具有多個沿主軸線(2)軸向連續(xù)排列的圓柱形軸段(4a、4b、4c、4d、4e)，它們沿一公共的連接軸線(5)各有一連接孔(6)，一個拉緊件(7)穿過這些連接孔，其中，在拉緊件(7)與至少一個軸段(4a、4b、4c)之間形成一軸向縫隙(8)，以及設(shè)有兩個沿軸向彼此相隔一定距離的徑向通道(9a、9b)，它們在流動技術(shù)上與此軸向縫隙(8)連通并分別通往外表面(3)。
2．按照權(quán)利要求1所述的渦輪軸(1)，其中，所述連接件(7)是一中央貫穿拉桿，對此貫穿拉桿而言主軸線(2)與連接軸線(5)重合。
3．按照權(quán)利要求1所述的渦輪軸(1)，其中，至少設(shè)有三個連接件(7)，它們各自的連接軸線(5)平行于主軸線(3)定向。
4．按照上述任一項權(quán)利要求所述的渦輪軸(1)，其中，至少在兩個互相鄰接的軸段(4b、4c；4d、4e)之間設(shè)一個徑向通道(9a、9b)。
5．按照上述任一項權(quán)利要求所述的渦輪軸(1)，用于一雙流道的渦輪(10)，該渦輪具有一沿軸向的中區(qū)(11)用于工作流體(12)的入流和分流，該中區(qū)沿軸向安排在所述徑向通道(9a、9b)之間。
6．按照權(quán)利要求5所述的渦輪軸(1)，其中，在此中區(qū)(11)設(shè)有一可流過冷卻流體(12b)的空腔(13)。
7．按照權(quán)利要求6所述的渦輪軸(1)，其中，所述空腔(13)在流動上與軸向縫隙(8)連通。
8．按照上述任一項權(quán)利要求所述的渦輪軸(1)可設(shè)在一蒸汽渦輪(15)中，尤其是在一雙流道中壓汽輪機(jī)段中。
9．一種用于冷卻一渦輪軸(1)的方法，該渦輪軸有多個沿主軸線(2)軸向連續(xù)排列的圓柱形軸段(4a、4b、4c、4d、4e)，它們借助于拉緊件(7)互相夾緊在一起，其中，冷卻流體(12a)通過第一徑向通道(9a)流入拉緊件(7)與軸段(4a)之間的軸向縫隙(8)中，并通過第二徑向通道(9b)從渦輪軸(1)引出。
10．按照權(quán)利要求9所述的方法，其中，在一蒸汽渦輪(10)中向軸向縫隙(8)供入作為冷卻流體(12b)的蒸汽容積流量，占總新汽容積流量的1％至4％，尤其是1.5％至3％。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種渦輪軸(1)，它沿一主軸線(2)延伸并有一外表面(3)。此渦輪軸(1)由多個沿軸向連續(xù)排列的圓柱形軸段(4)組成，這些軸段借助于一拉緊件(7)互相夾緊。在拉緊件(7)與至少一個軸段(4a、4b、4c)之間形成一軸向縫隙(8)，它在流動上與兩個沿軸向彼此相隔一定距離的徑向縫隙(9a、9b)連通。這些徑向縫隙(9a、9b)分別通往渦輪軸(1)的外表面(3)。本發(fā)明還涉及一種冷卻渦輪軸(1)的方法。
文檔編號F01D9/00GK1228134SQ97197351
公開日1999年9月8日 申請日期1997年5月12日 優(yōu)先權(quán)日1996年6月21日
發(fā)明者安德烈亞斯·費(fèi)爾德米勒, 赫爾穆特·波拉克 申請人:西門子公司