CN102128054A

CN102128054A - 汽轮机

Info

Publication number: CN102128054A
Application number: CN2010105983932A
Authority: CN
Inventors: 伊藤胜康; 佐藤岩太郎; 池田一隆; 猪亦麻子
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-01-12
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2011-07-20
Also published as: EP2343443A2; US20110171005A1; JP2011144704A; US8840362B2; JP5558120B2; EP2343443A3

Abstract

一种汽轮机，对隔板内圈的吹出口以均匀压力供给冷却蒸汽，提高蒸汽涡轮的热效率。构成蒸汽涡轮的隔板的外圈包括第一外圈，该第一外圈在内部形成有被供给冷却用外部蒸汽的环状的外圈空腔。在与第一外圈结合的静叶片中形成有半径方向冷却孔，该半径方向冷却孔与外圈空腔连通并在半径方向上延伸。在与第一外圈构成一个隔板的第一内圈，形成有与半径方向冷却孔连通的环状的内圈空腔。形成有将环状的叶轮空间和内圈空腔连通的多个冷却蒸汽吹出孔，该叶轮空间形成在第一内圈与邻接于该第一内圈的转子叶轮之间。

Description

汽轮机

技术领域

本发明涉及一种汽轮机，具备从外部供给冷却蒸汽来冷却转子的机构。

背景技术

在火力发电设备的高温部的大部分中，一直使用着制造性及经济性良好的铁素体类耐热钢。在汽轮机发电设备中，由于蒸汽条件一般为600℃级以下的蒸汽温度，因此在汽轮机的转子、叶片等的主要部件中也使用铁素体类耐热钢。但近年来，以环境保护为背景的火力发电设备的高效率化积极发展，运行着利用了600℃左右的高温蒸汽的汽轮机，在这种汽轮机中，有一部分以铁素体类耐热钢的各种特性不能满足要求特性的部件。

因此，也有使用高温特性更良好的耐热合金或奥氏体类耐热钢的例子。但是，奥氏体类材料在大型钢块的制造上存在极限，难以适用于汽轮机的各部件，对于利用了650℃以上的高温蒸汽的汽轮机，提出了成为减少使用奥氏体类材料的构造。

此外，从地球环境保护的观点来看，处于为了抑制CO₂、SOx、NOx的产生量而对高效率化的需求提高的状况。为了使火力发电设备的工厂热效率高效率化，提高蒸汽温度是最有效的方法之一，而探讨700℃级的汽轮机的开发。关于使蒸汽温度为700℃以上的情况，存在应解决的几个问题，特别是如何进行涡轮结构部件的强度保证成为重要的开发课题。

以往，转子、喷嘴、动叶片、喷嘴箱(蒸汽室)、蒸汽供给管等涡轮结构部件一直使用改良的耐热钢，但当蒸汽温度成为700℃以上时，变得难以将涡轮结构部件的强度保证维持得较高。因此，即使将以往的改良的耐热钢直接使用于涡轮结构部件，也希望实现能够将强度保证维持得较高的新技术，特别是，转子在运转中由于离心力而成为高应力场，因此需要冷却为具有足够的高温强度。

因此，提出了在转子内流通冷却蒸汽来进行冷却，但在该情况下，难以在作为旋转场的转子内顺利地流通冷却蒸汽，并且难以确保防止高温的主蒸汽流入转子冷却区域的冷却蒸汽流量。此外，当为了冷却而使大量的冷却蒸汽流入主蒸汽通路部时，导致涡轮内部效率下降，进而有可能导致工厂整体的热效率下降。

另一方面，在专利文献1中，提出了将冷却蒸汽向叶轮空间中吹出而冷却转子的装置。

专利文献1：日本特开昭63-230904号公报

但是，在上述专利文献1的图1的例子中，不清楚贯通壳体的蒸汽配管是贯通隔板内、还是形成与隔板不同的冷却通路。蒸汽配管难以与吹出孔直接连结并对吹出孔以均匀的压力供给冷却蒸汽。在图3的例子中，未对各个静叶片设置蒸汽配管，并且具有冷却蒸汽的圆周方向流路，意图使来自吹出孔的冷却蒸汽均匀地流入动叶片根部，但不能确保冷却蒸汽压力对各吹出孔的足够的均匀性。

发明内容

本发明是鉴于上述的问题做出的，其目的是提供一种汽轮机，对隔板的内圈的吹出孔以更均匀的压力供给冷却蒸汽，不降低由高温蒸汽驱动的汽轮机的效率而进一步提高热效率。

为了解决上述问题，本发明的汽轮机具有：多个圆环状的隔板，相互在轴向上隔开间隔地排列；转子，能够围绕轴旋转，向半径方向外侧以及圆周方向扩展的多个转子叶轮，在由上述多个隔板在轴向上夹持的位置上、相互在轴向上隔开间隔地形成；以及多个动叶片，固定在上述多个转子叶轮各自的外侧，相互在圆周方向上隔开间隔地排列。上述隔板分别具备：圆环状的外圈；圆环状的内圈，配置在上述外圈的半径方向内侧；以及多个静叶片，与上述外圈以及内圈结合，相互在圆周方向上隔开间隔地排列在上述外圈和内圈之间。上述多个外圈包括至少一个第一外圈，该第一外圈在内部形成有被供给冷却用外部蒸汽的环状的外圈空腔。在与上述第一外圈结合的上述多个静叶片的至少一个静叶片中，形成有与上述外圈空腔连通并在半径方向上延伸的半径方向冷却孔。在与上述第一外圈一起构成一个隔板的第一内圈中，形成有与上述半径方向冷却孔连通的环状的内圈空腔，并形成有将环状的叶轮空间和上述内圈空腔连通的多个冷却蒸汽吹出孔，该叶轮空间形成在该第一内圈与邻接于该第一内圈的转子叶轮之间。

发明的效果为：

根据本发明，能够对隔板的内圈的吹出孔以更均匀的压力供给冷却蒸汽，并通过冷却蒸汽的吹出来冷却转子。由此，能够不降低由高温蒸汽驱动的汽轮机的效率而进一步提高热效率。

附图说明

图1是表示本发明实施方式1的汽轮机的轴向截面图。

图2是用于说明防止向转子冷却部的主流流入的冷却蒸汽流量的图。

图3是表示本发明实施方式2的汽轮机的轴向截面图。

图4是表示本发明实施方式3的汽轮机的轴向截面图。

图5是表示本发明实施方式4的汽轮机的轴向截面图。

符号的说明：

1外部壳体；2内部壳体；3隔板；4外圈；5静叶片；6内圈；7转子；8转子叶轮；9动叶片；10密封件；11a、11b、11a’叶轮空间12a、12b叶轮空间密封部；13冷却蒸汽供给配管；14冷却蒸汽导入口15、15’外圈空腔；16半径方向冷却孔；17内圈空腔18、18a、18b吹出孔；19流量调节阀；20平衡孔；21转子内连通孔22静止部连通孔；30流量调节小孔；31主蒸汽通路部

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的各实施方式。在实施方式2以后，对于与实施方式1共通的点省略说明。

(实施方式1)

图1是表示本发明实施方式1的汽轮机的轴向截面图。

在图1中，主蒸汽通路部31的右侧为上游、左侧为下游。汽轮机的静止侧由外部壳体1、内部壳体2、各级的隔板3构成，隔板3包括外圈4、多个静叶片5以及内圈6。旋转侧由在各级形成了转子叶轮8的叶轮型的转子7和植入固定在转子叶轮8上的多个动叶片9构成。此外，内圈6和前后的转子叶轮8之间的空间形成叶轮空间11a、11b，该空间与主蒸汽通路部31之间通过密封片等叶轮空间密封部12a、12b，防止主蒸汽向叶轮空间11a、11b流入。在内圈侧的与转子7相对的一侧安装有埋入了迷宫式密封件的密封环10，对蒸汽从静叶片上游侧的叶轮空间11a向下游侧的叶轮空间11b的泄漏进行密封。

作为本发明所采用的结构，在内部壳体2和内侧的外圈4之间，以环状设置有冷却蒸汽供给用的外圈空腔15，并在该部位连接有从外部通过外部壳体1而供给冷却蒸汽的冷却蒸汽供给配管13。

冷却蒸汽供给配管13贯通外部壳体1、内部壳体2，但前端配置在内部壳体2的冷却蒸汽导入口14。通过如此构成，与外圈空腔15连接的冷却蒸汽供给配管13，与静叶片5的个数无关，而在圆周方向上成为需要的根数，结构上被简化。在内圈6中在密封环10所嵌入的部位上形成有环状的内圈空腔17，上述外圈空腔15和内圈空腔17通过分别设置在多个静叶片5中的半径方向冷却孔16而连通。并且，在圆周方向上设置有多个吹出孔18，该吹出孔18从内圈空腔17与静叶片上游侧的叶轮空间11a连通，并吹出冷却蒸汽。通过设置内圈空腔17，吹出孔18能够与静叶片5的个数无关，而仅成为需要的孔数。另外，半径方向冷却孔16也可以不设置在1级中的所有静叶片5中，而设置在一部分的多个静叶片5中。

这些结构设置在需要冷却的每个涡轮级上，对各级逐个地从外部供给冷却蒸汽。并且，在各冷却蒸汽供给配管13上个别设置有流量调节阀19。

以下，对本实施方式的作用进行说明。

对外圈空腔15供给的冷却蒸汽，在外圈空腔15内在圆周方向上成为均匀压力，之后在通过各静叶片内的半径方向冷却孔16的同时冷却静叶片5，并流入内圈空腔17。由于在内圈空腔17内在圆周方向上也为均匀压力，因此流过静叶片5的半径方向冷却孔16的冷却蒸汽流量在各静叶片之间成为相同流量。并且，冷却蒸汽从均匀压力的内圈空腔17内向静叶片上游侧的叶轮空间11a，经由在圆周方向上设置的多个吹出孔18，以在圆周方向上相同流量吹出。

向静叶片上游侧的叶轮空间11a吹出的冷却蒸汽的一部分，在冷却上游侧级的转子叶轮8表面的同时通过叶轮空间密封部12a合流到主蒸汽通路部31中。剩余的冷却蒸汽，在通过内圈6的迷宫式密封部的同时冷却转子7表面，并流入静叶片下游侧的叶轮空间11b。之后，同样在冷却转子叶轮8表面的同时通过叶轮空间密封部12b合流到主蒸汽通路部31中。

从叶轮空间11a、11b向主蒸汽通路部31吹出的冷却蒸汽流量，需要吹出最小流量以上的流量，该最小流量为防止主蒸汽由于转子7的旋转而向叶轮空间11a、11b流入的流量。另外，该最小流量在各叶轮空间中不同。

图2是用于说明防止主流向转子冷却部流入的冷却蒸汽流量的图。

设：

防止主流流入的冷却蒸汽最小流量：m

旋转雷诺数：Rer＝ρ·ω·Ro²/μ

密封部间隙：Sc

密封部半径：Ro

转速：ω

密度：ρ

粘性系数：μ

常数：C1、C2，

m由以下公式表示。

m＝C1·(Sc/Ro)^C2·Rer·Ro·μ

在主蒸汽流入了叶轮空间11a、11b的情况下，上述的冷却效果消失，对可靠性产生重大影响。另一方面，大量冷却蒸汽混入主蒸汽通路部31，意味着涡轮性能的下降，自然需要对各级供给最佳的冷却蒸汽流量。

对需要的每一级进行冷却作用、且冷却蒸汽被供给到每一级，因此不受上游、下游级的压力变化的影响。此外，供给到各级的冷却蒸汽，能够通过在冷却蒸汽供给配管13上设置的流量调节阀19的开度调节以及流量调节小孔31的半径的调节来进行调节，能够容易地设定为最佳流量。另外，在图示的例子中，作为流量调节器设置有流量调节阀19和流量调节小孔31的双方，但只要能够调节为最佳流量，也可以是任何一方。由此，能够以最佳的冷却蒸汽流量得到有效的转子冷却效果。

在本实施方式中，通过设置形成为环状的外圈空腔15和内圈空腔17，冷却蒸汽以均匀的压力供给到吹出孔18。此外，能够通过半径方向冷却孔16来冷却各个静叶片5。能够不降低由高温蒸汽驱动的汽轮机的效率，而进一步提高热效率。

(实施方式2)

图3是表示本发明实施方式2的汽轮机的轴向截面图。

在实施方式1中构成为，在每一级对外圈空腔15供给冷却蒸汽，并独立地进行冷却；与此相对，本实施方式构成为，通过对上游级供给的冷却蒸汽还实施邻接的下游级的冷却，其目的是使结构简化。

被从外圈侧供给冷却蒸汽的级的结构与实施方式1相同，并从设置在动叶片固定部中的平衡孔20向下游级的静叶片上游侧的叶轮空间11a’供给。另外，内圈6具有朝向静叶片上游侧的叶轮空间11a和静叶片下游侧的叶轮空间11b的双方向的吹出孔18a、18b。

下面，对本实施方式的作用进行说明。

向外圈空腔15供给的冷却蒸汽，通过与实施方式1同样的作用来冷却转子7。另一方面，流入到静叶片下游侧的叶轮空间11b中的冷却蒸汽的一部分，通过动叶片9的平衡孔20流入下游级，并同样地冷却转子7。该情况能够通过在静叶片下游侧的叶轮空间11b侧也设置吹出孔18b来进行。

通过本实施方式，下游级也能够得到与上游级同样的转子冷却效果，并且具有下游级不需要从外圈侧向叶轮空间的冷却蒸汽流入结构的效果。

(实施方式3)

图4是表示本发明实施方式3的汽轮机的轴向截面图。

在本实施方式中，相对于上述实施方式2，代替平衡孔20而在转子内在圆周方向整个圆周上设置多个转子内连通孔21，该转子内连通孔21从静叶片上游侧的叶轮空间11a连通到邻接的下游级的静叶片上游侧的叶轮空间11a’。另外，实施方式2中的静叶片下游侧的叶轮空间11b侧的吹出孔18b能够省略。

下面，对本实施方式的作用进行说明。

冷却蒸汽的一部分从静叶片上游侧的叶轮空间11a直接流入下游级的静叶片上游侧的叶轮空间11a’，与实施方式2同样地冷却下游级的转子7。

通过本实施方式，能够得到与实施方式2同样的效果。

并且，在本实施方式2中，为了将冷却蒸汽经由平衡孔20向下游级的静叶片上游侧的叶轮空间11a’进行供给，静叶片下游侧的叶轮空间11b的内压有相对变高的倾向。因此，从叶轮空间11b向主蒸汽通路部31吹出的冷却蒸汽流量也有相对变多的倾向，有可能成为性能下降的原因之一。

与此相对，在本实施方式中，为了在静叶片上游侧的叶轮空间11a和下游级的静叶片上游侧的叶轮空间11a’中确保足够的差压，能够省略向静叶片下游侧的叶轮空间11b侧的吹出孔，降低静叶片下游侧的叶轮空间11b的内压。

(实施方式4)

图5是表示本发明实施方式4的汽轮机的轴向截面图。

在实施方式1中构成为，在每一级对外圈空腔15供给冷却蒸汽，并独立地进行冷却；与此相对，本实施方式构成为，与实施方式2及3同样，通过对上游级供给的冷却蒸汽还实施邻接的下游级的冷却，其目的是使结构简化。

但是，实施方式2及实施方式3构成为，供给到上游级的叶轮空间的冷却蒸汽经由转子内的通过流入下游级的叶轮空间，与此相对，在本实施方式中，设置将上游级的外圈空腔15和下游级的外圈空腔15’连通的静止部连通孔22。

下面，对本实施方式的作用进行说明。

供给到外圈空腔15的冷却蒸汽的一部分，与实施方式1同样地通过静叶片5的半径方向冷却孔16向静叶片上游侧的叶轮空间11a吹出并冷却转子7。剩余的冷却蒸汽经由静止部连通孔22流入下游级的外圈空腔15’，之后同样地通过静叶片5向下游级的静叶片上游侧的叶轮空间11’吹出并冷却转子7。

根据本实施方式，从外部向外圈空腔15供给的冷却蒸汽的仅为上游级，下游级侧通过由从上游级的分支供给的冷却蒸汽，得到与上游级同样的转子冷却效果。此外，实施方式2、3中的下游级的静叶片5未被冷却，但在本实施方式中与实施方式1同样也能够进行静叶片5的冷却。

另外，不仅是邻接的两个级、在3个以上的级中也可以使用。

Claims

1.一种汽轮机，其特征在于，具备：

多个圆环状的隔板，相互在轴向上隔开间隔地排列；

转子，能够围绕轴旋转，向半径方向外侧以及圆周方向扩展的多个转子叶轮，在由上述多个隔板在轴向上夹持的位置上、相互在轴向上隔开间隔地形成；以及

多个动叶片，固定在上述多个转子叶轮各自的外侧，相互在圆周方向上隔开间隔地排列；

上述隔板分别具备：

圆环状的外圈；

圆环状的内圈，配置在上述外圈的半径方向内侧；以及

多个静叶片，与上述外圈以及内圈结合，相互在圆周方向上隔开间隔地排列在上述外圈和内圈之间；

上述多个外圈包括至少一个第一外圈，该第一外圈在内部形成有被供给冷却用外部蒸汽的环状的外圈空腔；

在与上述第一外圈结合的上述多个静叶片的至少一个静叶片中，形成有与上述外圈空腔连通并在半径方向上延伸的半径方向冷却孔；

在与上述第一外圈一起构成一个隔板的第一内圈中，形成有与上述半径方向冷却孔连通的环状的内圈空腔，并形成有将环状的叶轮空间和上述内圈空腔连通的多个冷却蒸汽吹出孔，该环状的叶轮空间形成在该第一内圈与邻接于该第一内圈的转子叶轮之间。

2.如权利要求1所述的汽轮机，其特征在于，

在上述多个静叶片中，在与上述第一外圈和第一内圈结合的所有的静叶片中，形成有上述半径方向冷却孔。

3.如权利要求1或2所述的汽轮机，其特征在于，

从上述多个冷却蒸汽吹出孔吹出的蒸汽的流量为最小流量以上，该最小流量用于防止在上述静叶片以及动叶片的外周流动的主蒸汽流入上述叶轮空间内。

4.如权利要求1或2所述的汽轮机，其特征在于，

上述多个冷却蒸汽吹出孔设置在上述第一内圈上游侧。

5.如权利要求1或2所述的汽轮机，其特征在于，

上述多个冷却蒸汽吹出孔朝向所有的转子叶轮设置。

6.如权利要求1或2所述的汽轮机，其特征在于，

上述冷却蒸汽吹出孔设置在上述第一内圈上游侧和下游侧的双方；

在与上述第一内圈的下游侧邻接的上述转子叶轮的上述动叶片的固定部上，设置有在轴向上贯通的平衡孔。

7.如权利要求1或2所述的汽轮机，其特征在于，

设置有转子内连通孔，该转子内连通孔将上述第一内圈上游侧的叶轮空间与邻接于上述第一内圈的下游级的内圈的上游侧的叶轮空间连通。

8.如权利要求1或2所述的汽轮机，其特征在于，

上述多个外圈包括第二外圈，该第二外圈在轴向上与上述第一外圈邻接配置，在内部形成有环状的第二外圈空腔；

在与上述第二外圈结合的上述多个静叶片的至少一个静叶片中形成有第二半径方向冷却孔，该第二半径方向冷却孔与上述第二外圈空腔连通并在半径方向上延伸；

在与上述第二外圈一起构成一个隔板的第二内圈中，形成有与上述第二半径方向冷却孔连通的环状的第二内圈空腔，并形成有将环状的叶轮空间和上述第二内圈空腔连通的多个第二冷却蒸汽吹出孔，该环状的叶轮空间形成在该第二内圈与邻接于该第二内圈的转子叶轮之间；

形成有将上述第一外圈空腔和第二外圈空腔连通的静止部连通孔。

9.如权利要求1或2所述的汽轮机，其特征在于，还具备：

冷却蒸汽配管，向上述第一外圈供给冷却用外部蒸汽；以及

流量调节器，设置在上述冷却蒸汽配管上，能够调节上述冷却用外部蒸汽的供给量。

10.如权利要求9所述的汽轮机，其特征在于，

上述流量调节器包括流量调节阀。

11.如权利要求9所述的汽轮机，其特征在于，

上述流量调节器包括流量调节小孔。