CN107002494A - 涡轮轴的可控冷却 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涡轮机，尤其蒸汽轮机(2，12，13)，所述涡轮机具有屏蔽装置(27)和冷却剂输送装置(36)，所述冷却剂输送装置使冷的再热器蒸汽流动到转子(21)上，其中附加地在屏蔽装置(27)中设置有输送管，所述输送管将热的入流蒸汽的一部分带入屏蔽装置(27)和转子(21)之间的冷却区域(37)中，由此得到更好的混合，以便提高转子(21)在该热负荷部位上的温度，使得在干扰情况下(冷却剂管路故障)，温度变化是适度的。

Description

涡轮轴的可控冷却
技术领域
本发明涉及一种涡轮机，尤其蒸汽轮机，所述涡轮机具有：用于输送蒸汽的入流区域；可转动地安装的转子；壳体，所述壳体围绕转子设置，其中在转子和壳体之间构成有流动通道，其中流动通道与入流区域彼此流体连接；屏蔽装置，所述屏蔽装置构成为，使得在运行时，流到入流区域中的蒸汽可偏转到流动通道中，其中屏蔽装置具有冷却剂输送装置，所述冷却剂输送装置构成为，使得在运行时，冷却蒸汽可流到冷却区域中，所述冷却区域设置在屏蔽装置和转子之间。
背景技术
涡轮机，例如蒸汽轮机，由流动介质流过，所述流动介质通常具有高的温度和压力。因此，在作为涡轮机的实施方式的蒸汽轮机中，将蒸汽用作为流动介质。新鲜蒸汽入流区域中的蒸汽参数高至，使得蒸汽轮机在不同的部位强烈地受到热负荷。因此，例如在蒸汽轮机的入流区域中，材料强烈地受到热负荷。蒸汽轮机基本上包括：涡轮轴，所述涡轮轴可转动地安装；以及围绕涡轮轴设置的壳体。涡轮轴由于流入的蒸汽的温度强烈地受到热负荷。适用的是：温度越高，热负荷就越大。在转子上在所谓的槽中设置有涡轮叶片。在运行中，槽经受高的机械负荷。然而，热负荷可降低由于旋转引起的可承受的机械负荷和由于在转子上固定的叶片引起的附加负荷。
从热力学的角度有意义的是，提高蒸汽的输入温度，因为效率随着更高的进汽温度而升高。为了扩大在蒸汽轮机中使用的材料在高温时的负载能力，冷却轴的入流区域。只要能够开发适当的冷却方法，就能够放弃更换成更优质的、但是更贵的材料。
蒸汽轮机设备包括至少一个蒸汽发生器和构成为高压涡轮段的第一蒸汽轮机以及构成为中压或低压涡轮段的其他涡轮段。在新鲜蒸汽穿流高压涡轮段之后，蒸汽在再热器中被再次加热到高温并且被引导到中压涡轮段中。出自高压涡轮段的蒸汽被称作为冷的再热器蒸汽并且与新鲜蒸汽相比是相对冷的。所述冷的再热器蒸汽用作为冷却介质。
这表示：冷的再热器蒸汽被引导到蒸汽轮机的进汽区域中并且在那里降低材料温度。当然这使得，冷的再热器蒸汽在例如中压涡轮段的进汽区域中引起非常大的温差。这引起下述缺点：虽然进行冷却，但是出现局部高的温度梯度进而出现高的热应力。此外，能够出现局部变形，通过由不均匀的热膨胀造成的热扭曲被迫产生所述局部变形，因为强烈冷却的和未冷却的区域并排设置。此外，在冷却失效时，即没有冷的再热器蒸汽可供使用，进而形成故障情况时，发生热冲击，所述热冲击引起极其大的热应力。
在故障情况下，这表示，在冷却失效时，之前冷却的轴明显地膨胀。所述热膨胀应在结构方面被考虑到，并且所述热膨胀使冷却剂引导和被冷却的区域的密封变得困难。
文献DE 34 06 071 A1公开了一种屏蔽装置，其中屏蔽装置仅具有一个冷却蒸汽管路，但是不具有附加的管路。
发明内容
本发明基于此点。本发明的目的是，提出一种用于蒸汽轮机的改进的冷却。
所述目的通过一种涡轮机、尤其蒸汽轮机来实现，所述涡轮机具有：用于输送蒸汽的入流区域；可转动地安装的转子；壳体，所述壳体围绕转子设置，其中在转子和壳体之间构成有流动通道，其中流动通道与入流区域彼此流体连接；屏蔽装置，所述屏蔽装置构成为，使得在运行时，流到入流区域中的蒸汽可偏转到流动通道中，其中屏蔽装置具有冷却剂输送装置，所述冷却剂输送装置构成为，使得在运行时，冷却蒸汽可在设置在屏蔽装置和转子之间的冷却区域中流动，其中屏蔽装置具有管路，所述管路建立在冷却区域和入流区域之间的流体连接。
因此，本发明涉及一种涡轮机，尤其蒸汽轮机，所述涡轮机包括屏蔽装置，所述屏蔽装置设置在入流区域中并且屏蔽轴免受热的流动介质。为了冷却，使用冷却剂输送装置，所述冷却剂输送装置在运行时将冷却蒸汽引导至转子。本发明遵循下述构思：迄今，在冷却区域中、即在屏蔽装置和转子表面之间得到转子的相对强的冷却。借助冷的再热器蒸汽进行冷却，所述再热器蒸汽当然在入流区域中引起转子的非常强的冷却。在冷却剂失效的情况下，转子在该区域中非常强地变热，这引起不期望的极度热交变负荷。为了避免所述情况，根据本发明提出，除了冷却剂输送装置之外，屏蔽装置构成为具有管路，通过管路，新鲜蒸汽能够流到转子和屏蔽装置之间的空间中。冷却剂穿过管路的穿流速率和新鲜蒸汽穿过管路的穿流速率在此选择成，使得转子在入流区域中的温度升温至极限值。所述极限值在此选择成，使得在冷却介质失效时，到最大温度的变热、即在没有冷却剂的情况下的变热，是适度的。
因此，根据本发明提出，实现被动的混合冷却，通过可小地构成的孔，在屏蔽装置中为出自冷却剂输送装置的冷却蒸汽输送一定量的新鲜蒸汽。由此，通过适当地选择管路，能够设定适当的混合温度。
术语蒸汽应理解成流动介质，除了水蒸气之外，能够是氨气或蒸汽-CO2混合物。
因此，借助本发明避免，在由非常冷的再热器蒸汽冷却时，或在温控的冷却蒸汽的情况下以耗费的控制技术实施时，轴由于不稳定的故障表现而引起损坏。这样一种新的冷却装置是有利的，因为所述冷却装置是被动的。这表示，不需要用于对冷却介质进行温度控制的调节阀以及不需要耗费的控制技术。由于在构件中的小的温差，实现小的热应力、由于冷却造成的小的附加的局部扭曲以及在冷却暂时失效时的鲁棒表现。
有利的改进方案在从属权利要求中给出。
在第一有利的改进方案中，涡轮机双流道式地构成。这表示，屏蔽装置覆盖下述区域，所述区域能够使流入的蒸汽流到第一流道和第二流道中。
在一个有利的改进方案中，冷却剂输送装置构成为，使得在运行时，冷却蒸汽切向地撞到转子上。因此，冷却剂输送装置不径向地穿过屏蔽装置，而是基本上沿环周方向被引导，使得冷却蒸汽在屏蔽装置和转子之间的区域中经受涡流。
同样地，在有利的改进方案中，管路能够构成为，使得在运行时，出自入流区域的蒸汽切向地撞到转子上。在此同样提出，不径向地穿过屏蔽装置构成管路，而是考虑切向的部件，所述切向的部件引起出自入流区域的蒸汽到屏蔽装置和转子之间的区域中的涡流。
在冷却剂输送的切向布置的情况下，在冷却失效时，通过新鲜蒸汽的带有涡流的入流能够得到剩余冷却效果。
附图说明
本发明的在上文中描述的特性、特征和优点以及实现这些特性、特征和优点的类型和方式结合下面对实施例的描述变得更清晰和更清楚理解，所述实施例结合附图详细阐述。
下面根据附图描述本发明的实施例。这不应按照比例示出实施例，相反，用于阐述的附图以示意的和/或轻微失真的形状实施。在对附图中直接可见的教导的补充方面，参考提出的现有技术。
附图示出：
图1示出蒸汽动力设备的示意图，
图2示出处于运行时本发明的示意图，
图3示出在冷却剂输送装置故障时本发明的示意图，
图4示出根据本发明的装置的侧视图，
图5示出根据本发明的装置的一个替选的实施方式的侧视图。
具体实施方式
图1示出蒸汽动力设备1的示意概览图。蒸汽动力设备1包括了高压涡轮段2，所述高压涡轮段具有新鲜蒸汽入口3和高压蒸汽出口4。出自新鲜蒸汽管路5的新鲜蒸汽流过新鲜蒸汽入口3，其中在蒸汽发生器6中产生新鲜蒸汽。在新鲜蒸汽管路5中设置有新鲜蒸汽阀7，所述新鲜蒸汽阀调节穿过高压涡轮段2的新鲜蒸汽的流量。此外，在新鲜蒸汽管路5中设置有快速关闭阀(未示出)，所述快速关闭阀在故障情况下关闭朝高压涡轮段2的蒸汽输送。在蒸汽穿流高压涡轮段2之后，其中在高压涡轮段2中的蒸汽将热能转换成转子21的旋转能，蒸汽从高压蒸汽出口4流到冷的再热器管路8中。在冷的再热器管路8中的蒸汽与在新鲜蒸汽管路5中的新鲜蒸汽的蒸汽参数进行比较，使得所述冷的再热器蒸汽能够用作为冷却剂，这在图1中通过冷却剂管路9示意地示出。冷的再热器蒸汽在再热器10中被加热并且经由热的再热器管路11被引导至中压涡轮段12。冷却剂管路9能够被引导至中压涡轮段12并被引导到入流区域中(未示出)。中压涡轮段12的转子以传递转矩的方式与高压涡轮段2的转子以及与低压涡轮段13的转子21连接。同样地，发电机14以传递转矩的方式与低压涡轮段13的转子21连接。在蒸汽穿流中压涡轮段12之后，蒸汽从中压蒸汽出口15流至低压涡轮段13。在图1中选择的中压涡轮段12包括第一流道29和第二流道30。出自中压蒸汽出口15的蒸汽在溢流管路16中被引导至低压涡轮段13。在穿流低压涡轮段13之后，蒸汽流到冷凝器17中并且在那里冷凝成水。接着，在冷凝器17中转换成水的蒸汽经由管路18流至泵19，并且从那里水被引导至蒸汽发生器6。
高压涡轮段2、中压涡轮段12和低压涡轮段13被称作为蒸汽轮机并且为涡轮机的一个实施方式。
在图2中可见根据本发明的装置的视图。图2尤其示出中压涡轮段12的入流区域20。中压涡轮段12包括转子21，所述转子围绕旋转轴线22可转动地安装。转子21包括多个转子叶片23，所述转子叶片设置在转子表面24的槽中(未示出)。在转子叶片23之间设置有导向叶片25，所述导向叶片保持在壳体上(未示出)。第一导向叶片排26构成为，使得所述导向叶片排26保持屏蔽装置27。屏蔽装置27构成为，使得在运行时，流到入流区域20中的蒸汽可偏转到流动通道28中。因为在图2中示出的中压涡轮段12具有第一流道29和第二流道30，所以流动通道28分成第一流动通道31和第二流动通道32。流入的蒸汽33因此转向成第一蒸汽34和第二蒸汽35。第一蒸汽34流到第一流动通道31中。第二蒸汽35流到第二流动通道32中。
中压涡轮段12包括壳体(未示出)，所述壳体围绕转子21设置，其中在转子21和壳体之间构成有第一流动通道31和第二流动通道32，其中第一流动通道31和第二流动通道32与入流区域20彼此流体连接。
将术语蒸汽理解成流动介质，除了水蒸气之外能够是氨气或蒸汽-CO2混合物。
屏蔽装置27具有冷却剂输送装置36，所述冷却剂输送装置构成为，使得在运行时，冷却蒸汽流到设置在屏蔽装置27和转子21之间的冷却区域37中。使用出自冷却剂管路9的蒸汽作为冷却蒸汽，所述蒸汽出自冷的再热器管路8。在替选的实施方式中，能够使用其他的冷却蒸汽。出自冷却剂输送装置36的冷却蒸汽因此流到转子表面24上并且冷却热负荷区域，所述热负荷区域通过抛物线形的灰色区域38示出。温度以灰影调示出。如在图2中可见的，在抛物线形的灰色区域38中的灰影调比转子21的灰影调暗一些。这表示，在抛物线形的灰色区域38中的温度大于转子21的温度。
除了冷却剂输送装置36，现在根据本发明在屏蔽装置27中还设置有管路39。所述管路39是在冷却区域37和入流区域20之间的流体连接件。管路39能够构成为孔或具有多个孔。所述孔能够在环周上分布地构成。管路39能够关于抛物线形的灰色区域38对称地设置，这表示，管路39沿中央的入流方向40的方向设置。在图2中不沿与中央的入流方向40相同的方向示出管路39，而是向右一小段距离。
图3基本上示出与图2中相同的装置。因此省去对构件的工作原理和名称的重复。在图3的视图中的区别在于，冷却剂输送装置36的故障通过十字符号表示。冷却剂输送装置36的故障引起冷却区域37的变热。这引起抛物线形的灰色区域38中的温度的改变。在图3中可见，灰影调相对于图2中的灰色区域更暗。这表示，温度相对于在图2中可见的正常运行升高。当然，如在图2中可见的正常运行和在图3中示出的干扰运行之间的温差是适度的。这表示，转子21的材料经受相对小的温度突变。
图4示出根据本发明的装置的侧视图。冷却剂输送装置36在第一实施方式中沿径向方向41朝向旋转轴线构成。这表示，在运行时，冷却蒸汽径向地撞到转子21上。类似地，根据图4的管路39构成为，使得在运行时，出自入流区域的蒸汽径向地撞到转子21上。
图5示出对根据图4的实施方案的一个替选的实施方式。图5示出，冷却剂输送装置36构成为，使得在运行时，冷却蒸汽切向地撞到转子21上。对此，冷却剂输送装置36基本上构成为，使得屏蔽装置包含孔，通过所述孔，蒸汽能够切向地撞到转子21上。这引起处于冷却区域37中的蒸汽的涡流。管路39同样在一个替选的实施方式中构成为，使得在运行时，出自入流区域20的蒸汽切向地撞到转子21上。这引起在冷却区域37中的更好的混合。
虽然本发明详尽地通过优选的实施例详细说明和描述，但本发明不由于公开的示例受到限制，并且其他的变型形式能够由本领域技术人员从中导出，而不脱离本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种涡轮机，尤其蒸汽轮机(2，12，13)，具有：
用于输送蒸汽的入流区域(20)；
能转动地安装的转子(21)；
壳体，所述壳体围绕所述转子(21)设置，
其中在所述转子(21)和所述壳体之间构成有流动通道(28)，
其中所述流动通道(28)与所述入流区域(20)彼此流体连接；
屏蔽装置(27)，所述屏蔽装置构成为，使得在运行时，流到所述入流区域(20)中的蒸汽能够偏转到所述流动通道(28)中，
其中所述屏蔽装置(27)具有冷却剂输送装置(36)，所述冷却剂输送装置构成为，使得在运行时，冷却蒸汽能够流到冷却区域(37)中，所述冷却区域设置在所述屏蔽装置(27)和所述转子(21)之间，
其特征在于，
所述屏蔽装置(27)具有管路(39)，所述管路建立在所述冷却区域(37)和所述入流区域(20)之间的流体连接。
2.根据权利要求1所述的涡轮机，
其中所述涡轮机双流道式地构成。
3.根据权利要求2所述的涡轮机，
其中在运行时，流到所述入流区域(20)中的蒸汽通过所述屏蔽装置(27)能够部分地偏转到第一流道(29)中并且部分地偏转到第二流道(30)中。
4.根据上述权利要求中任一项所述的涡轮机，
其中所述屏蔽装置(27)设置在第一叶片级的上游。
5.根据上述权利要求中任一项所述的涡轮机，
其中所述屏蔽装置(27)围绕所述转子(21)设置。
6.根据上述权利要求中任一项所述的涡轮机，
其中所述冷却剂输送装置(36)构成为，使得在运行时，所述冷却蒸汽径向地撞到所述转子(21)上。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的涡轮机，
其中所述冷却剂输送装置(36)构成为，使得在运行时，所述冷却蒸汽切向地撞到所述转子(21)上。
8.根据上述权利要求中任一项所述的涡轮机，
其中所述管路(39)构成为，使得在运行时，出自所述入流区域(20)的蒸汽径向地撞到所述转子(21)上。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的涡轮机，
其中所述管路(39)构成为，使得在运行时，出自所述入流区域(20)的蒸汽切向地撞到所述转子(21)上。
10.根据上述权利要求中任一项所述的涡轮机，
所述涡轮机具有冷却剂管路，所述冷却剂管路直接与所述冷却剂输送装置(36)连接，
其中在运行时，所述冷却蒸汽能在所述冷却剂管路中流动。
11.一种蒸汽动力设备，所述蒸汽动力设备具有根据上述权利要求中任一项所述的涡轮机，
其中所述冷却剂输送装置(36)与冷的再热器管路(8)连接。
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