渦輪軸的可控冷卻的製作方法

2023-08-07 03:08:46

本發明涉及一種渦輪機，尤其蒸汽輪機，所述渦輪機具有：用於輸送蒸汽的入流區域；可轉動地安裝的轉子；殼體，所述殼體圍繞轉子設置，其中在轉子和殼體之間構成有流動通道，其中流動通道與入流區域彼此流體連接；屏蔽裝置，所述屏蔽裝置構成為，使得在運行時，流到入流區域中的蒸汽可偏轉到流動通道中，其中屏蔽裝置具有冷卻劑輸送裝置，所述冷卻劑輸送裝置構成為，使得在運行時，冷卻蒸汽可流到冷卻區域中，所述冷卻區域設置在屏蔽裝置和轉子之間。

背景技術：

渦輪機，例如蒸汽輪機，由流動介質流過，所述流動介質通常具有高的溫度和壓力。因此，在作為渦輪機的實施方式的蒸汽輪機中，將蒸汽用作為流動介質。新鮮蒸汽入流區域中的蒸汽參數高至，使得蒸汽輪機在不同的部位強烈地受到熱負荷。因此，例如在蒸汽輪機的入流區域中，材料強烈地受到熱負荷。蒸汽輪機基本上包括：渦輪軸，所述渦輪軸可轉動地安裝；以及圍繞渦輪軸設置的殼體。渦輪軸由於流入的蒸汽的溫度強烈地受到熱負荷。適用的是：溫度越高，熱負荷就越大。在轉子上在所謂的槽中設置有渦輪葉片。在運行中，槽經受高的機械負荷。然而，熱負荷可降低由於旋轉引起的可承受的機械負荷和由於在轉子上固定的葉片引起的附加負荷。

從熱力學的角度有意義的是，提高蒸汽的輸入溫度，因為效率隨著更高的進汽溫度而升高。為了擴大在蒸汽輪機中使用的材料在高溫時的負載能力，冷卻軸的入流區域。只要能夠開發適當的冷卻方法，就能夠放棄更換成更優質的、但是更貴的材料。

蒸汽輪機設備包括至少一個蒸汽發生器和構成為高壓渦輪段的第一蒸汽輪機以及構成為中壓或低壓渦輪段的其他渦輪段。在新鮮蒸汽穿流高壓渦輪段之後，蒸汽在再熱器中被再次加熱到高溫並且被引導到中壓渦輪段中。出自高壓渦輪段的蒸汽被稱作為冷的再熱器蒸汽並且與新鮮蒸汽相比是相對冷的。所述冷的再熱器蒸汽用作為冷卻介質。

這表示：冷的再熱器蒸汽被引導到蒸汽輪機的進汽區域中並且在那裡降低材料溫度。當然這使得，冷的再熱器蒸汽在例如中壓渦輪段的進汽區域中引起非常大的溫差。這引起下述缺點：雖然進行冷卻，但是出現局部高的溫度梯度進而出現高的熱應力。此外，能夠出現局部變形，通過由不均勻的熱膨脹造成的熱扭曲被迫產生所述局部變形，因為強烈冷卻的和未冷卻的區域並排設置。此外，在冷卻失效時，即沒有冷的再熱器蒸汽可供使用，進而形成故障情況時，發生熱衝擊，所述熱衝擊引起極其大的熱應力。

在故障情況下，這表示，在冷卻失效時，之前冷卻的軸明顯地膨脹。所述熱膨脹應在結構方面被考慮到，並且所述熱膨脹使冷卻劑引導和被冷卻的區域的密封變得困難。

文獻de3406071a1公開了一種屏蔽裝置，其中屏蔽裝置僅具有一個冷卻蒸汽管路，但是不具有附加的管路。

技術實現要素：

本發明基於此點。本發明的目的是，提出一種用於蒸汽輪機的改進的冷卻。

所述目的通過一種渦輪機、尤其蒸汽輪機來實現，所述渦輪機具有：用於輸送蒸汽的入流區域；可轉動地安裝的轉子；殼體，所述殼體圍繞轉子設置，其中在轉子和殼體之間構成有流動通道，其中流動通道與入流區域彼此流體連接；屏蔽裝置，所述屏蔽裝置構成為，使得在運行時，流到入流區域中的蒸汽可偏轉到流動通道中，其中屏蔽裝置具有冷卻劑輸送裝置，所述冷卻劑輸送裝置構成為，使得在運行時，冷卻蒸汽可在設置在屏蔽裝置和轉子之間的冷卻區域中流動，其中屏蔽裝置具有管路，所述管路建立在冷卻區域和入流區域之間的流體連接。

因此，本發明涉及一種渦輪機，尤其蒸汽輪機，所述渦輪機包括屏蔽裝置，所述屏蔽裝置設置在入流區域中並且屏蔽軸免受熱的流動介質。為了冷卻，使用冷卻劑輸送裝置，所述冷卻劑輸送裝置在運行時將冷卻蒸汽引導至轉子。本發明遵循下述構思：迄今，在冷卻區域中、即在屏蔽裝置和轉子表面之間得到轉子的相對強的冷卻。藉助冷的再熱器蒸汽進行冷卻，所述再熱器蒸汽當然在入流區域中引起轉子的非常強的冷卻。在冷卻劑失效的情況下，轉子在該區域中非常強地變熱，這引起不期望的極度熱交變負荷。為了避免所述情況，根據本發明提出，除了冷卻劑輸送裝置之外，屏蔽裝置構成為具有管路，通過管路，新鮮蒸汽能夠流到轉子和屏蔽裝置之間的空間中。冷卻劑穿過管路的穿流速率和新鮮蒸汽穿過管路的穿流速率在此選擇成，使得轉子在入流區域中的溫度升溫至極限值。所述極限值在此選擇成，使得在冷卻介質失效時，到最大溫度的變熱、即在沒有冷卻劑的情況下的變熱，是適度的。

因此，根據本發明提出，實現被動的混合冷卻，通過可小地構成的孔，在屏蔽裝置中為出自冷卻劑輸送裝置的冷卻蒸汽輸送一定量的新鮮蒸汽。由此，通過適當地選擇管路，能夠設定適當的混合溫度。

術語蒸汽應理解成流動介質，除了水蒸氣之外，能夠是氨氣或蒸汽-co2混合物。

因此，藉助本發明避免，在由非常冷的再熱器蒸汽冷卻時，或在溫控的冷卻蒸汽的情況下以耗費的控制技術實施時，軸由於不穩定的故障表現而引起損壞。這樣一種新的冷卻裝置是有利的，因為所述冷卻裝置是被動的。這表示，不需要用於對冷卻介質進行溫度控制的調節閥以及不需要耗費的控制技術。由於在構件中的小的溫差，實現小的熱應力、由於冷卻造成的小的附加的局部扭曲以及在冷卻暫時失效時的魯棒表現。

有利的改進方案在從屬權利要求中給出。

在第一有利的改進方案中，渦輪機雙流道式地構成。這表示，屏蔽裝置覆蓋下述區域，所述區域能夠使流入的蒸汽流到第一流道和第二流道中。

在一個有利的改進方案中，冷卻劑輸送裝置構成為，使得在運行時，冷卻蒸汽切向地撞到轉子上。因此，冷卻劑輸送裝置不徑向地穿過屏蔽裝置，而是基本上沿環周方向被引導，使得冷卻蒸汽在屏蔽裝置和轉子之間的區域中經受渦流。

同樣地，在有利的改進方案中，管路能夠構成為，使得在運行時，出自入流區域的蒸汽切向地撞到轉子上。在此同樣提出，不徑向地穿過屏蔽裝置構成管路，而是考慮切向的部件，所述切向的部件引起出自入流區域的蒸汽到屏蔽裝置和轉子之間的區域中的渦流。

在冷卻劑輸送的切向布置的情況下，在冷卻失效時，通過新鮮蒸汽的帶有渦流的入流能夠得到剩餘冷卻效果。

附圖說明

本發明的在上文中描述的特性、特徵和優點以及實現這些特性、特徵和優點的類型和方式結合下面對實施例的描述變得更清晰和更清楚理解，所述實施例結合附圖詳細闡述。

下面根據附圖描述本發明的實施例。這不應按照比例示出實施例，相反，用於闡述的附圖以示意的和/或輕微失真的形狀實施。在對附圖中直接可見的教導的補充方面，參考提出的現有技術。

附圖示出：

圖1示出蒸汽動力設備的示意圖，

圖2示出處於運行時本發明的示意圖，

圖3示出在冷卻劑輸送裝置故障時本發明的示意圖，

圖4示出根據本發明的裝置的側視圖，

圖5示出根據本發明的裝置的一個替選的實施方式的側視圖。

具體實施方式

圖1示出蒸汽動力設備1的示意概覽圖。蒸汽動力設備1包括了高壓渦輪段2，所述高壓渦輪段具有新鮮蒸汽入口3和高壓蒸汽出口4。出自新鮮蒸汽管路5的新鮮蒸汽流過新鮮蒸汽入口3，其中在蒸汽發生器6中產生新鮮蒸汽。在新鮮蒸汽管路5中設置有新鮮蒸汽閥7，所述新鮮蒸汽閥調節穿過高壓渦輪段2的新鮮蒸汽的流量。此外，在新鮮蒸汽管路5中設置有快速關閉閥(未示出)，所述快速關閉閥在故障情況下關閉朝高壓渦輪段2的蒸汽輸送。在蒸汽穿流高壓渦輪段2之後，其中在高壓渦輪段2中的蒸汽將熱能轉換成轉子21的旋轉能，蒸汽從高壓蒸汽出口4流到冷的再熱器管路8中。在冷的再熱器管路8中的蒸汽與在新鮮蒸汽管路5中的新鮮蒸汽的蒸汽參數進行比較，使得所述冷的再熱器蒸汽能夠用作為冷卻劑，這在圖1中通過冷卻劑管路9示意地示出。冷的再熱器蒸汽在再熱器10中被加熱並且經由熱的再熱器管路11被引導至中壓渦輪段12。冷卻劑管路9能夠被引導至中壓渦輪段12並被引導到入流區域中(未示出)。中壓渦輪段12的轉子以傳遞轉矩的方式與高壓渦輪段2的轉子以及與低壓渦輪段13的轉子21連接。同樣地，發電機14以傳遞轉矩的方式與低壓渦輪段13的轉子21連接。在蒸汽穿流中壓渦輪段12之後，蒸汽從中壓蒸汽出口15流至低壓渦輪段13。在圖1中選擇的中壓渦輪段12包括第一流道29和第二流道30。出自中壓蒸汽出口15的蒸汽在溢流管路16中被引導至低壓渦輪段13。在穿流低壓渦輪段13之後，蒸汽流到冷凝器17中並且在那裡冷凝成水。接著，在冷凝器17中轉換成水的蒸汽經由管路18流至泵19，並且從那裡水被引導至蒸汽發生器6。

高壓渦輪段2、中壓渦輪段12和低壓渦輪段13被稱作為蒸汽輪機並且為渦輪機的一個實施方式。

在圖2中可見根據本發明的裝置的視圖。圖2尤其示出中壓渦輪段12的入流區域20。中壓渦輪段12包括轉子21，所述轉子圍繞旋轉軸線22可轉動地安裝。轉子21包括多個轉子葉片23，所述轉子葉片設置在轉子表面24的槽中(未示出)。在轉子葉片23之間設置有導向葉片25，所述導向葉片保持在殼體上(未示出)。第一導向葉片排26構成為，使得所述導向葉片排26保持屏蔽裝置27。屏蔽裝置27構成為，使得在運行時，流到入流區域20中的蒸汽可偏轉到流動通道28中。因為在圖2中示出的中壓渦輪段12具有第一流道29和第二流道30，所以流動通道28分成第一流動通道31和第二流動通道32。流入的蒸汽33因此轉向成第一蒸汽34和第二蒸汽35。第一蒸汽34流到第一流動通道31中。第二蒸汽35流到第二流動通道32中。

中壓渦輪段12包括殼體(未示出)，所述殼體圍繞轉子21設置，其中在轉子21和殼體之間構成有第一流動通道31和第二流動通道32，其中第一流動通道31和第二流動通道32與入流區域20彼此流體連接。

將術語蒸汽理解成流動介質，除了水蒸氣之外能夠是氨氣或蒸汽-co2混合物。

屏蔽裝置27具有冷卻劑輸送裝置36，所述冷卻劑輸送裝置構成為，使得在運行時，冷卻蒸汽流到設置在屏蔽裝置27和轉子21之間的冷卻區域37中。使用出自冷卻劑管路9的蒸汽作為冷卻蒸汽，所述蒸汽出自冷的再熱器管路8。在替選的實施方式中，能夠使用其他的冷卻蒸汽。出自冷卻劑輸送裝置36的冷卻蒸汽因此流到轉子表面24上並且冷卻熱負荷區域，所述熱負荷區域通過拋物線形的灰色區域38示出。溫度以灰影調示出。如在圖2中可見的，在拋物線形的灰色區域38中的灰影調比轉子21的灰影調暗一些。這表示，在拋物線形的灰色區域38中的溫度大於轉子21的溫度。

除了冷卻劑輸送裝置36，現在根據本發明在屏蔽裝置27中還設置有管路39。所述管路39是在冷卻區域37和入流區域20之間的流體連接件。管路39能夠構成為孔或具有多個孔。所述孔能夠在環周上分布地構成。管路39能夠關於拋物線形的灰色區域38對稱地設置，這表示，管路39沿中央的入流方向40的方向設置。在圖2中不沿與中央的入流方向40相同的方向示出管路39，而是向右一小段距離。

圖3基本上示出與圖2中相同的裝置。因此省去對構件的工作原理和名稱的重複。在圖3的視圖中的區別在於，冷卻劑輸送裝置36的故障通過十字符號表示。冷卻劑輸送裝置36的故障引起冷卻區域37的變熱。這引起拋物線形的灰色區域38中的溫度的改變。在圖3中可見，灰影調相對於圖2中的灰色區域更暗。這表示，溫度相對於在圖2中可見的正常運行升高。當然，如在圖2中可見的正常運行和在圖3中示出的幹擾運行之間的溫差是適度的。這表示，轉子21的材料經受相對小的溫度突變。

圖4示出根據本發明的裝置的側視圖。冷卻劑輸送裝置36在第一實施方式中沿徑向方向41朝向旋轉軸線構成。這表示，在運行時，冷卻蒸汽徑向地撞到轉子21上。類似地，根據圖4的管路39構成為，使得在運行時，出自入流區域的蒸汽徑向地撞到轉子21上。

圖5示出對根據圖4的實施方案的一個替選的實施方式。圖5示出，冷卻劑輸送裝置36構成為，使得在運行時，冷卻蒸汽切向地撞到轉子21上。對此，冷卻劑輸送裝置36基本上構成為，使得屏蔽裝置包含孔，通過所述孔，蒸汽能夠切向地撞到轉子21上。這引起處於冷卻區域37中的蒸汽的渦流。管路39同樣在一個替選的實施方式中構成為，使得在運行時，出自入流區域20的蒸汽切向地撞到轉子21上。這引起在冷卻區域37中的更好的混合。

雖然本發明詳盡地通過優選的實施例詳細說明和描述，但本發明不由於公開的示例受到限制，並且其他的變型形式能夠由本領域技術人員從中導出，而不脫離本發明的保護範圍。