专利名称：蒸汽轮机和运行蒸汽轮机的方法
技术领域：
本发明涉及一种蒸汽轮机，它包括一个设有一定数量工作叶片的转子，该转子与一定数量的导向叶片共同配置在由一些汽轮机壳段构成的一个汽轮机罩壳内部。此外，本发明还涉及一种运行这种蒸汽轮机的方法。
背景技术：
在本申请的范围内，蒸汽轮机指的是被一种蒸汽形式的工作介质流过的各种透平或分透平。与之不同，燃气轮机作为工质流过的是燃气和/或空气，但这种工质与在蒸汽轮机中的蒸汽相比处于完全不同的温度和压力条件之下。与燃气轮机相反，在蒸汽轮机中例如流入一个分透平内的工质在具有最高温度的同时具有最大压力。也就是说，一个如在燃气轮机中那样的开式冷却系统，不可能在没有分透平-外部供给装置的情况下实现。
蒸汽轮机通常包括一个配备有叶片可旋转地支承的转子，转子装在汽轮机罩壳的内部。在由汽轮机罩壳构成的流动腔的内腔流过加热的并处于压力下的蒸汽时，蒸汽通过叶片使转子旋转。转子的叶片也称为工作叶片。此外，在汽轮机罩壳上通常悬挂固定的导向叶片，它们处于转子叶片的空档内。沿汽轮机罩壳内侧的第一位置通常固定导向叶片。它通常是包括一定数量导向叶片的一个导向叶片环的组成部分，这些导向叶片沿内圆周布置在汽轮机罩壳的内侧上。在这里，每个导向叶片有其沿径向向内延伸的叶身。在沿轴向的上述第一位置上的一个导向叶片环也称为导向叶片组。通常一定数量的导向叶片组前后串联。相应地，在沿轴向位于第一位置后面的第二位置，在汽轮机罩壳的内侧固定有第二组导向叶片。
此类蒸汽轮机的汽轮机罩壳可由一些汽轮机壳段组成。蒸汽轮机的汽轮机罩壳尤其指蒸汽轮机或蒸汽轮机分透平上固定的罩壳构件，它有一个沿蒸汽轮机的轴向延伸的内腔，该内腔内用于流过工质蒸汽。根据蒸汽轮机类型，这可以是一个内壳和/或一个导向叶片支架。但也可以采用一种没有内壳或导向叶片支架的汽轮机罩壳。
出自于效率的原因，值得追求的是此类蒸汽轮机可针对所谓的“高蒸汽参数”，亦即尤其高蒸汽压力和/或高蒸汽温度设计。当然，尤其是温度的提高出自于材料技术方面的原因不可能是无限制的。因此，为了在特别高的温度下仍能可靠地运行蒸汽轮机，值得追求的是能冷却各个构件或部件。
在迄今已知的尤其用于汽轮机罩壳的冷却剂方法中，分为主动冷却和被动冷却。在主动冷却时，冷却通过一种单独地亦即除工质外供给汽轮机罩壳的冷却剂实现。反之，被动冷却仅通过恰当地导引或利用工质进行。汽轮机罩壳常用的冷却限于被动冷却。例如已知，蒸汽轮机的内壳用已膨胀的冷却蒸汽绕流。然而这样做的缺点是，必须限制在内壳壁上的温度差，因为要不然在温差过大时会导致内壳过大的热变形。虽然在绕流内壳时产生散热，然而这种散热离加热地点比较远。紧邻加热点的散热迄今未以足够的程度实现。另一种被动冷却可借助对于一个所谓斜流式透平级内的工质膨胀的恰当设计来实现。然而这也只能在罩壳上获得非常有限的冷却效果。
在US 6102654中介绍了一种对汽轮机罩壳内部各部件进行的主动冷却，其中限于在热工质入流区进行冷却。如该申请的图1所示，按US 6102654所述，冷却剂通过罩壳被导向防护板和第一导流环，以减小转子和第一导向叶片环的温度负荷。冷却剂的一部分搀入工质内。在这里所述冷却应通过流入有待冷却的部件达到。
由WO 97/49901已知，有选择地通过在转子内的一个与中央空腔分开供给的径向通道，使一种介质流到各个用于屏蔽各转子区的导向叶片环上。为此，此介质经此通道搀入工质并按选择流向此导向叶片环。但是在为此所设的空心孔必须承受更高的离心应力，这意味着在设计和运行中的一个严重的缺点。
在EP 1154123中说明了从蒸汽系统另一些区域提取和导引冷却剂并将此冷却剂供给工质入流区的可能性。
为了在用矿物燃料发电时达到更高的效率，要求在透平中采用与迄今常用的相比为更高的蒸汽参数，亦即更高的压力和温度。其中，对于作为工质的蒸汽，规定压力一方面要远高于200bar以及另一方面温度要远高于500℃。在期刊VGB Kraftwerkstechnik第73(1993)号第5册H.G.Neft和G.Franconville的论文“Neue Dampfturbinenkonzepte für hhere Eintritts-parameter und lngere Endschaufeln(用于具有更高的入口参数和更长的末级透平叶片的蒸汽轮机的设计方案)”中详细说明了这些蒸汽参数。论文公开的内容吸收在本申请的说明书中。尤其例如在此论文的图13中列举了更高的蒸汽参数。在这篇论文中，为了改进对于汽轮机罩壳的冷却，建议供入冷却蒸汽和进一步导引冷却蒸汽通过第一导向叶片组和必要时也通过第二导向叶片组。虽然由此提供了一种主动冷却，然而这仅限于工质的主流区因而还值得加以改进。
因此，迄今已知的所有针对汽轮机罩壳的冷却方法，就涉及主动冷却方法而言，至多规定有针对性地使冷却流体流到一个单独的且有待冷却的透平部分并限于工质的入流区，且至多包括第一导向叶片环。在用更高的蒸汽参数向普通的蒸汽轮机加载时，这会导致作用在整个透平上更高的热负荷，通过上述对于罩壳的一般冷却这种热负荷只能不充分地减少。为了达到更高的效率原则上需以更高的蒸汽参数工作的蒸汽轮机，必须更好地予以冷却，尤其是其罩壳需得到冷却，以便以足够的程度降低蒸汽轮机更高的热负荷。在这方面存在的问题是，在使用迄今常用的透平材料时，由更高的蒸汽参数给罩壳带来的更大负载会导致罩壳上产生有害的热负荷，从而使其在技术上不再能实施。
发明内容
因此本发明要解决的技术问题是提供一种上述类型的蒸汽轮机，它特别适合以“高的蒸汽参数”来运行。此外，应提供一种为此特别恰当的用于运行这样一种蒸汽轮机的方法。
上述有关蒸汽轮机所要解决的技术问题通过这样一种蒸汽轮机来解决，其包括一个设有一定数量工作叶片的转子，该转子与一定数量的导向叶片一起设置在由一些汽轮机壳段构成的一个汽轮机罩壳内部，按照本发明，至少一个汽轮机壳段中设有一定数量的集成在其内部的冷却通道。
本发明考虑问题的出发点是，在流动介质的温度可能增高时，罩壳壁本身也可认为是一种限制因素。因此，蒸汽轮机应采用一个能可靠冷却的汽轮机罩壳。这一点可通过如下措施来达到，即，直接在需要冷却的区域内，亦即直接在汽轮机罩壳或可能构成此汽轮机罩壳的汽轮机壳段内部，设置一些冷却通道。
在这里，“冷却通道”尤其指冷却剂的流动通道，它不仅用于输送或转移冷却剂，而且在此受设计决定，当加入冷却剂时，冷却剂会对其流动通道周围，亦即尤其对有关的汽轮机壳段会产生冷却作用。
为了在这里获得特别可靠和满足需要的冷却效果，冷却通道比较有利地在靠近汽轮机罩壳的内表面的地方导引。该认识基于，恰恰在汽轮机罩壳的内腔中流过比较热的流动介质时，该罩壳的内表面处热负荷特别高。因此，为了能达到特别符合需要的冷却，有关的冷却通道有利地在各汽轮机壳段的壁的内部，相对于该壁的平分面朝内表面的方向，亦即朝构成内腔或流动腔边界的表面的方向有所错移地定位。
比较有利的是，冷却通道设计用于比较大面积地冷却罩壳壁，并为此沿转子的纵向延伸一定的最小长度。因此，冷却通道基本上遵循罩壳的轮廓形状而相宜地基本上沿转子的纵向定向。
在这里，作为沿转子纵向延伸的最小长度，有利地是这样一个长度，即，该长度跨接多个、尤其至少两个叶片组。
这样做有突出的优点。它使得汽轮机罩壳的冷却不仅经多个叶片组进行，亦即至少在一个设在第一位置前的第一区与一个设在第二位置后的第二区之间连续进行，而且其优点还在于散热在紧邻加热处，亦即在罩壳内部进行。以此方式改善了在一般的蒸汽轮机中的冷却，所以蒸汽轮机可以用较低的材料成本制造。此外，所建议的冷却方案允许设计针对更高进口参数的新型蒸汽轮机方案。例如对于更高的蒸汽参数可以在上面提及的论文“Neue Dampfturbinenkonzepte für hhere Eintrittsparameter und lngereEndschaufeln”中找到。例如作为工质的蒸汽的参数约为250bar和540℃，或约为300bar和600℃。
本发明有利的进一步发展可由有关汽轮机罩壳的从属权利要求中得知，并由此具体说明了一些有利的可能性和所建议的罩壳在已提及的和其他优点方面具体的进一步发展。
一项特别优选的进一步发展规定，在第一位置与第二位置之间设一定数量的其他位置，在每个这样的位置上分别固定一个叶片。尤其是，冷却通道按有利的方式是一个互相连通的集成在所述罩壳内的冷却系统的组成部分，此冷却系统沿汽轮机罩壳的轴向尺寸延伸。这就创造了平行于主流导引冷却蒸汽的可能性。尽可能沿整个罩壳实现对多个叶片组的冷却。在这里，所述冷却通道可有利地经配属的通道穿过锚固在罩壳内的导向叶片。作为附加措施或替代措施，可设置一定数量的第一通道，它们分别沿轴向连续地穿过唯一的一个或多个叶片组延伸，并且可以通过另一些沿径向或其他任意方向定向的第二通道与一个通道系统连接。至少一个第一通道或一定数量的第一通道有利地设在表面附近。另一些第二通道则可以在壁内任意延伸，或从壁导出。
比较有利地可设置一开式冷却系统，它能够使冷却剂的参数与工质参数相匹配。详细情况借助所建议的方法在以后说明。
下面介绍一个通道系统的另一些有利的设计，按所建议的方案，所述冷却通道是它的组成部分。这样一个通道系统有利地设在汽轮机罩壳内侧的表面附近。表面附近在本文中主要意味着此冷却系统设在汽轮机罩壳沿径向的这样一个区域内，即这一区域一方面以罩壳内侧另一方面以导向叶片固定槽外部的径向尺寸为界。冷却通道可根据需要按有利的方式设计为一个原来的通道形状或任意类型的在罩壳外侧与内侧之间的空腔。这就有可能在受到加热的地点进一步改善散热。
因此，所建议的在上述汽轮机罩壳内部的冷却方案，比在内壳的罩壳壁外侧借助膨胀后具有较低蒸汽密度的蒸汽的绕流实施的冷却更加有效。此外，获得了在汽轮机罩壳变形特性方面的优点。按所建议方案的冷却还强化了对罩壳和/或叶片上隔热层的利用。这种隔热涂层有比较小的导热系数，以及在存在足够散热的前提条件下能建立一种大的温差。因此，罩壳、叶根和包括部分叶身与没有隔热层相比可保持为一个低得多的温度。作为采用隔热层的替代措施或与之相结合的补充措施，可在使用所建议的冷却方案的情况下合理地采用导热不是太好的叶片材料。对此的一种优选的例子例如是奥氏体材料。
所述冷却系统有利地具有一个沿罩壳周向尺寸至少部分环形的分支冷却通道。与本来已设的冷却通道一起，便可以实现对汽轮机罩壳优选地对其内侧附近整个圆周区域的冷却。
比较有利的是，所述冷却剂的参数根据工质的参数通过一个开式的冷却系统以这样的方式逐级地得到调整，即，使得冷却剂在比较小的压差的情况下溢流到工质中。为此，所述冷却通道相宜地通过一些溢流孔与被汽轮机罩壳围绕用于流动介质的流动腔室连通。相宜地，通道系统和溢流孔基于这种设计准则确定适用的尺寸，使得通过流动阻力可以实现对于冷却剂内的压力水平的适配。在这里优选地以这样的方式选择尺寸，即，在运行状态使冷却剂在当地，亦即尤其在同一个透平级内，有比流动介质略高的，例如约高0.1％至25％的压力。为此有利地令第一区有一个去往主流动区的第一孔。同样比较有利的是，第二区有一个去往主流动区的第二孔。由此可以冷却多个叶片组，其中，冷却剂总是具有与工质主流相近的尤其是略高的压力，从而有利地努力使压差负荷最小化。
按一项进一步发展，罩壳的内侧由内壁的内侧构成。这意味着这些冷却通道可以作为孔、槽或以其他恰当的方式组合在壁内。此外，业已证实特别有利的是，罩壳内侧由一固定的屏蔽板构成。这就可以使汽轮机罩壳在被冷却的叶片区内有利地完全与工质主流隔离。这在罩壳材料的氧化方面有突出的优点。一个固定的屏蔽板可有利地通过叶片，尤其是通过叶根固定。
冷却通道可以按需要来设计。例如业已证明有利的是，通道穿过叶片，尤其穿过叶根导引。在这里，在叶根上的槽可以是冷却通道的一部分。必要时，一个穿过各单个叶根或(作为替代措施或辅助措施)穿过两个相邻叶根的孔也可作为这些冷却通道的组成部分。此外业已证实有利的是在叶身中设一通道，它与上述通道互相连通。以此方式可通过气膜冷却有利地冷却导向叶片的叶身区。
比较有利地可采用蒸汽作为冷却剂，该蒸汽尤其可根据冷却通道所需要的工作压力，在恰当的位置从发电厂的水汽循环提取。
上述有关方法方面的技术问题通过一种用于运行所述蒸汽轮机的方法来解决，其中，一个构成流动介质的流动腔室边界的汽轮机罩壳至少部分通过一些集成在其内的冷却通道被加入冷却剂。
因为流入蒸汽轮机的工质在有最高温度的同时还有最高的压力，所以特别有利的是冷却剂从外部供入汽轮机罩壳中。在这种情况下特别有利的是冷却剂的压力超过主流中工质的当地压力。
业已证实特别有利的是，冷却剂在这样一个压力下导引，该压力根据工质主流的压力来调节并尤其使冷却剂流被节流。此进一步发展可以实现一种适应更高蒸汽参数的开式冷却系统的设计。冷却剂为了与主流压力匹配所受到的节流，按有利的设计，通过恰当选择通道系统内的流动阻力并结合在所述至少一个通道内去往主流区的相应开孔逐级进行。
此外比较有利的是供给具有一定温度和/或一定数量的冷却剂，它根据工质主流的温度进行调节。这可以有利地借助一个满足安全技术方面要求的附件调整，此附件按控制技术跟踪透平阀的快速关闭和伺服过程。在冷却剂不足时，透平的运行在需要的情况下可借助透平阀中断，这也称为快速关闭。冷却剂的温度可按安全技术的要求有利地予以确定和按控制技术受到监测。必要时在低负荷的情况下可以将超比例的冷却剂量加入工质内，亦即通过在已受到冷却的叶片区之后将冷却剂强烈搀入主流工质中，而使该主流工质的温度保持足够低。
上述将冷却剂供入所述集成在罩壳内且有利地定位在其内表面附近的通道系统中以及在其中进行导引的方案，可按具体要求进行设计和调整。
所建议的方案按照本发明还可以用于透平的起动和/或快速冷却。
同理，本发明允许针对当今的蒸汽参数使用价廉物美的耐热性能较差的材料。
下面借助附图进一步说明本发明的实施例。
在此结合一个冷却系统来说明本发明的优选实施形式。该冷却系统提供压力得到调节的冷却蒸汽质量流，以实现有针对性地冷却承受静态负载的构件，亦即罩壳及导向叶片。因此，在这里所建议的优选实施形式可以对低成本、高技术地实现更高蒸汽参数和更高的效率作出重要贡献。此外，在这里所说明的优选实施形式或与之不同及经修改的本发明的其他实施形式可同样加以利用，以便在当前的蒸汽参数条件下可使用成本较低的罩壳和叶片材料。
附图中图1表示已知的一种冷却汽轮机罩壳的方案，它限于冷却工质入流区和冷却第一导向叶片环；图2表示在汽轮机罩壳中按本发明一种优选实施形式的冷却方案的示意图；图3表示在该优选实施形式中将冷却剂供入在叶片区内的一个集成在罩壳内并靠近其表面的通道系统中且在其中导引的示意图；
图4表示在图3的通道系统中沿剖面A-A的详图；图5表示在图3的通道系统中沿剖面B-B的详图；图6表示在图3所示通道系统变型后的设计中沿剖面B-B的详图；图7表示按优选实施形式将冷却剂传输到导向叶片固定区内的示意图；图8表示第一和第二屏蔽板在一个搭接区内的构造设计图；图9表示所述通道系统的将冷却剂导入导向叶片区内的另一种构造设计图；图10表示所述通道系统的将冷却剂导入导向叶片区内的又一种构造设计图。
具体实施例方式
图1表示如已在按US 6102654的先有技术中说明的蒸汽轮机1的示意图。它有一个可旋转地装在轴2上的转子3，该转子包括一定数量的也称为工作叶片的转子叶片4。它们设置在一个固定的设有导向叶片6的罩壳5内。转子3通过流入入流区7内的工质8并借助转子叶片4被推动。除工质8外，冷却剂10通过一单独的进口区9流入工质8。在此过程中冷却剂10通过入流仅冷却固定的导向叶片的第一导向叶片环11以及屏蔽板12。由此降低转子3在入流区内以及第一导向叶片环11的热负荷。此外，冷却剂10通过汽封管13从进口区9越过第一导向叶片环11导向区域14，此区域直接位于罩壳5与第一转子叶片15之间。由此使冷却剂10的进口区9相对于工质8密封，在这里冷却剂10起汽封流体的作用。汽封管13在这里不起冷却管的作用。
图2则示意表示按本发明的一种特别优选实施形式的蒸汽轮机20。该蒸汽轮机20具有一个包括一定数量的装在转子21上的转子叶片或工作叶片22的转子21，它可旋转地支承在一个包括一定数量导向叶片24的汽轮机罩壳23内。具有转子21和汽轮机罩壳23的蒸汽轮机20在这里沿轴25的轴向尺寸延伸。可旋转的工作叶片22如手指一样插入固定的导向叶片24之间的空档内。
在这里所表示的汽轮机罩壳23也可以设计为内壳或导向叶片支架，和/或按分段的结构方式由一些汽轮机壳段组成。汽轮机罩壳的壁26有一个外侧23a，在本实施例中它也是汽轮机罩壳23的外侧。此外，此汽轮机罩壳有一个内侧23b。该内侧23b构成一个规定用于容纳流动工质的主流27的内腔27a的边界。汽轮机罩壳23在其内侧23b的一些位置上分别固定有一个导向叶片24。按此特别优选的实施形式，用于导引冷却剂设在外侧23a与内侧23b之间的通道系统28，从第一区28a沿固定导向叶片24的这些位置一直连续延伸到第二区28b。
由此，规定作为冷却系统的通道系统28包括一些集成在汽轮机罩壳23内的冷却通道29，它们比较靠近汽轮机罩壳23内表面地延伸，以及基本上沿转子21的纵向定向。
通道系统28沿轴25具有一些去往工质主流27的溢流孔29a。它们与通道系统28的通孔相结合，用于平行于主流27的压力变化逐级降低冷却剂的压力。从一级导向叶片24到另一级导向叶片24，冷却剂可优选地通过在这里没有表示的流动阻力节流。为此恰当的是，例如分别在一个导向叶片组中令冷却剂通过一个孔。通过节流，压力可在无需完成技术性工作的情况下减小。此冷却剂在压力相近和温度较低时与流动介质相比有较大的密度，由此提供更好的热传导特性。通过节流和温度升高造成的冷却剂体积增大有利地可采取措施补偿，即，逐渐将一部分冷却剂通过溢流孔29a排入主流。由此还达到冷却剂压力与主流压力的良好匹配。因此，在这里所说明的实施形式意味着是一种开式冷却系统。在这里，冷却通道29和溢流孔29a的尺寸尤其这样选择，即，在运行状态使冷却剂在当地有一个比流动介质略高，例如约高25％的压力。
原则上在汽轮机罩壳优选的实施形式中也可以采用在这里没有表示的设计为闭式冷却系统的方案。尽管这会带来一些缺点，但根据需要(如果期望那样做的话)这些缺点也可以忍受。在一个闭式冷却系统中，冷却剂向主流27的输出只是在得到冷却的区域的末端进行。也就是说，在这种情况下基本上取消图2所示开式系统的溢流孔29a。冷却剂仅从第一区28a导向第二区28b，在此过程不与主流进行明显的压力匹配。逐级地降压同样可以通过节流进行。
冷却剂向主流的输出在这样的情况下肯定不会对每个叶片组都进行。因此在闭式冷却系统中冷却剂向主流27的输出可以例如根本不进行，或只是在第二区28b或只是在级的数量减得很少的情况下进行。因此，在通道系统28中的压力只是间接地与主流27匹配。在这种情况下不利的是，在闭式冷却系统中冷却剂所需要的流通截面由于温度的升高和压力的下降随通道系统28的延伸明显增大。
其结果是导致叶根和/或罩壳承力的横截面不希望地减小，因为将通道系统28设计为闭式通道系统28，其横截面从第一区28a向第二区28b的方向必须逐渐增大，以顾及体积流量的增加。尽管这与在罩壳和叶片固定区内的强度要求背道而驰，但可以加以补偿。若冷却剂在履行冷却任务后例如基于压力和温度参数差别过大不能输入工质中，则冷却剂在区域28b内需与工质分开地从汽轮机罩壳23导出。在借助闭式系统冷却多个级时，若图2中的溢流孔29a不存在，则根据覆盖的膨胀区域，在闭式通道系统28内主流27中流动的介质与冷却剂之间会形成一个高的压力差。这会与所选择的冷却剂压力有关地可能导致较差的冷却效果，或在冷却剂压力高的情况下会使构件承受比较高的压差负荷。当冷却剂密度小时，冷却剂会有低的热容量，并因而导致较差的热传导和热排出。尽管如此，这样一种闭式系统仍属于主动冷却系统，与被动冷却相比，或与仅有限地在罩壳入流区内冷却相比，它仍能显著改善汽轮机罩壳23的冷却。
开式通道系统28一方面有一个沿轴25延伸的连续通道，从此通道朝溢流孔29a的方向弯出多条支线。此外，它还是一种相贯通连接的通道系统28，也就是一种尽可能避免有另一些单独的可能从罩壳壁引出的通道的通道系统。这样做的优点在于，冷却蒸汽的质量流量和所需的温度差可逐级减小，以及，相同的冷却蒸汽可经由多级起作用。与图1所示先有技术中已知的在转子或罩壳中被分别单独导引的各通道16相比，本发明可根据主流的最高压力来设定所需要的压力。而在按照先有技术设有多个相互分开的冷却通道的情况下，用于后续级的压力不再得到调整。这会导致因高的压差给透平造成附加应力。用于多个叶片组的各个相互分开的通道内的较高压力，还会导致显著提高例如对汽轮机罩壳中接缝螺钉连接装置的机械要求。对于分开的通道也必须为制备不同的压力级及将其导入叶片区提供附加的费用，这是不利的。但原则上可以如本说明书的一般性部分中所说明的那样，通过变型设计灵活地设计一个通道系统，并且也可将其设计成由一些分通道系统组成。
图3详细表示按本发明优选实施形式的汽轮机罩壳30在被冷却的叶片区内的结构。一个相应的蒸汽轮机31具有一个没有表示的包括一个由一定数量工作叶片32构成的工作叶片组的转子。在这里，汽轮机罩壳30沿内侧33设第一位置30a和第二位置30b，其中，沿轴向34第二位置30b处于第一位置30a之后。所述内侧33构成内腔35的边界，此内腔规定用于容纳流动工质的主流36。当然在本实施例中该内侧33并不是由汽轮机罩壳30的壁37构成，而是由固定的屏蔽板38构成的，该屏蔽板通过叶根39固定。此外，叶根39a、39b锚固在壁37上的叶片固定槽40a、40b内。一定数量的叶片41a沿汽轮机罩壳30的圆周并列以及分别沿径向42设置，从而在位置30a构成也称为导向叶片组的第一个导向叶片环。相应地，一定数量的第二叶片41b在第二位置30b沿圆周并列地装在叶片固定槽40b内并构成第二导向叶片环。
作为图3所示屏蔽板38的补充或另一种改型，也可以通过在叶根39a、39b上经加工的屏蔽面实现。尽管由此需要附加的材料及加工成本，但可以达到与屏蔽板38类似的屏蔽作用以及按不同需要可能是有利的。
图3的通道系统43具有至少一个设在汽轮机罩壳30外侧与内侧33之间以及至少在一个设在第一位置30a前的第一区与一个设在第二位置30b后的第二区之间连续延伸的通道44。在此实施例中，通道44实际上沿整个叶片区在罩壳的处于比较高温度的部分内延伸。通道44一方面由汽轮机罩壳30的壁37以及另一方面由屏蔽板38构成。许多这种沿轴向34的通道44在周向沿汽轮机罩壳30内侧33排列。此外，通道系统43还有一些沿周向的环形槽45，在此实施形式中它们沿轴向34分别布置在工作叶片32所在的高度上。工作叶片32有一盖板32a。通道系统43的这些通道可通过铣削施加在汽轮机罩壳30的壁37上并用屏蔽板38的平面结构部分覆盖。通道系统43在流动过程中还包括叶片固定槽(图9、图10)和/或叶根39a、39b中的孔46a、46b(图5、图6、图9、图10)。
此外，通道系统43具有溢流孔47、48和49，以便在与通道系统的流动阻力配合作用的情况下通过将部分冷却剂流输入主流来使冷却剂流的参数与工质流的参数相匹配。
在叶片区内通过一块屏蔽板38的屏蔽，可借助另一块屏蔽板也屏蔽冷却剂的入流区达到(图中没有表示这另一块屏蔽板)，并由此带来另一些在防止透平罩壳材料氧化方面的优点。
作为采用屏蔽板38的替代手段或除采用屏蔽板38之外的其他辅助手段，通道系统43或通道44也可以以钻孔的形式或其他恰当的形式加工在汽轮机罩壳30的壁37内部的表面附近。
图4表示图3中剖面A-A的视图。在这里，图3的环形槽45用虚线表示。相应地，设计为轴向槽的通道44示意表示为在汽轮机罩壳壁37表面内的凹窝。
图5表示在叶根39a内设置孔46a的一种可能性。带有孔46a、46a′的许多沿内壳周向并列的叶根39a、39a′，在位置30a构成一个叶片组。
作为图3中钻孔46a、46a′的一种替代方案，在图6中表示了孔46a″。每个孔46a″分别加工在每两个相邻叶根39a″中。
与燃气轮机相反，在蒸汽轮机中流入蒸汽轮机分透平内的工质在有最高温度的同时有最大压力。为了尤其实现一种用于蒸汽轮机的开式冷却系统，因而必须采取恰当的措施供给冷却剂。冷却剂的供入可以在从水汽循环的一个压力较高和温度足够低的位置提取这种冷却剂后进行。恰当的提取位置尤其是-在进入锅炉的连接在蒸汽轮机分透平上游的过热部分之前，-完全在进入锅炉之前，-在从一个连接在上游的蒸汽轮机分透平排出后，-从一个连接在上游的蒸汽轮机分透平的一个抽汽点，-借助一个恰当的泵来单独制备，该泵在一个低压位置从预热段抽取冷却剂并将其置于所需要的压力。当泵故障使冷却中断时，需要附加的费用，必要时需要冗余设计。
图7表示将冷却剂71从在第一导向叶片组78前的区域72传输到沿轴向74的另一个导向叶片固定装置区73内的第一种可能性及第二种可能性。图中表示了一个优选实施形式的内壳75，它安置在蒸汽轮机77的外壳76内。冷却剂可以通过一根输入管70a和第一导向叶片组78被加入在内壳75内处于表面附近的一个通道系统79中，并沿轴向74在导向叶片组75a的区域内导引。作为替代方式或附加措施，冷却剂也可以直接在内壳75中通过一根输入管70b加入通道系统79中，无需首先通过第一导向叶片组78导引。
另一股在外壳76内的冷却剂71流，通过一些密封装置69、节流器及其他适用的措施导引。冷却剂的入流通过一个满足安全技术要求的阀调整。
除图7中表示的引入冷却剂的可能性外，冷却剂也可以在工质的入流区内引入组合在罩壳内的通道系统79中。
当冷却剂在通道系统79末端排入主流中时，冷却剂不仅在压力方面而且在温度方面基本上与主流相适应。这是冷却剂在被冷却的叶片区内吸热的结果。此冷却剂然后在主流中参与进一步膨胀。这是开式冷却系统的一个突出的优点，由此促使将焓从受到冷却的叶片区输送给不冷却的区域。
在这里所表示的实施形式中，对冷却剂在安全技术方面的监控主要是必须调整冷却剂的温度。在这方面应注意，即使在部分负荷时也应避免在流动中和通道系统中出现提前凝结/成滴的现象。此外，在所有重要的负荷状态下都应排除主要构件诸如罩壳、导向叶片或叶片固定装置的过热。按技术要求，可以在透平阀与冷却剂阀之间轮流调整。
所述优选实施形式的通道系统，也可以有利地应用于预热的目的，为此在起动过程供入恰当的介质。该介质也可以从水汽循环的另一些位置抽取出以作为今后真正的冷却剂。在这里比较有利的是使预热介质在通道系统内节流，以及至少在这里对轴系的加速没有贡献。类似地，这一方法还可以应用于快速冷却。对于未来的内壳或内壳材料，所描述的方法在起动时间和冷却时间方面具有优点。
图8表示第一屏蔽板80与第二屏蔽板81在搭接部位82区域内的一种有利的结构。在这里所表示的具体设计，可有利地在带有图8中所示溢流孔83和84或图3中所示溢流孔47、48、49的屏蔽板38中实施。这种屏蔽板有利地用一种适用的、例如耐高温的材料制造。在本实施形式中它由分段组成，它们在其搭接部位82优选地具有一个针对不同温度可运动的重叠段85、86。在图3所示的设计中，屏蔽板位于工作叶片盖板的区域内并且应当有相应的密封齿，亦即非接触式密封装置。此外，密封齿可以车削在搭接部位82的区域内或与叶根毗邻，亦即由一整体件加工而成，或嵌入密封带。业已证实有利的是，这可以根据材料以及结构的强度和加工要求具体确定。
若冷却剂通过工作叶片的轴封装置排入主流，则在有些情况下效率的损失可通过经由这些密封装置流动的漏泄质量流减少。漏泄质量流在此情况下不是由主流的热介质组成，而是由具有较低焓值的冷却剂组成。不过这种效果有可能由于导入冷却剂的位置需求使密封齿数量减少而被重新抵消。在这里可以是一些根据不同类型要求业已证实有利的设计结构。
图9表示用于在叶根90区域内导引冷却剂的通道系统的另一种设计，叶根90锚固在透平罩壳92内的槽91中。优选实施形式的轴向通道93在转子叶片94的区域内更深地进入到透平罩壳92的内部并因而在转子叶片94的区域内有一种例如三角形的走向。任何其他的走向也都是可能的。通道93通过通道99向主流开启。在通道93的区域内附加地将一个叶片固定槽95包含在内。此外，此通道93借助通道96穿过叶根90，通道96设在叶根的腰97上方靠近叶身98的位置处。其优点是不损害腰97的强度。
图10还表示了另一种与图9所示类似的设计。与图9不同，通道106还在叶身108的区域内实现。在叶身108的区域内一些通道110从通道106分出，它们将冷却剂从通道106导引到叶身108，以便形成一种气膜冷却。
此外，冷却剂也通过在转子叶片104区域内的通道109排入工质的主流。其他的详情与图9中表示的情况一致。
总之，本发明建议了一种汽轮机罩壳、一种蒸汽轮机和一种主动冷却汽轮机罩壳的方法以及一种对冷却的恰当应用。
在迄今已知的蒸汽轮机1中，一个罩壳要么只是被动冷却，要么只是在工质的入流区进行程度有限的主动冷却。在由于提高工质的蒸汽参数使罩壳负荷增加时，不再能保证汽轮机罩壳受到充分冷却。本发明所建议的汽轮罩壳23、30或所建议的内壳75沿轴25或沿轴向34延伸并具有一个沿轴25或轴向34延伸的内壁26；内壁26的一个外侧23a；一个内侧23b、33，它构成内腔27a、35的边界，该内腔用于容纳一种流动工质8的主流27、36；沿内侧23b、33的第一位置30a，在这里固定第一叶片41a；沿内侧23b、33的第二位置30b，在这里固定第二叶片41b，其中沿轴25或轴向34此第二位置30b设在第一位置30a后。在这里为了保证充分冷却设有至少一种通道44、93、一个孔46a、46b、一个通道96，它们设在外侧23a与内侧23b、33之间，并至少在一个设在第一位置30a前的第一区28a、72与一个设在第二位置30b后的第二区28b、73之间连续延伸。本发明还建议了一种方法和应用，按此方法适当地导引一种流动的冷却剂10。
权利要求
1.一种蒸汽轮机(20)，其包括一个设有一定数量工作叶片(22)的转子(21)，该转子与一定数量的导向叶片(24)一起设置在由一些汽轮机壳段构成的一个汽轮机罩壳(23)内部，其中，至少一个汽轮机壳段中设有一定数量的集成在其内部的冷却通道(29)。
2.按照权利要求1所述的蒸汽轮机(20)，其中，所述集成在所述汽轮机壳段的壁内的冷却通道(29)相对于该壁的平分面朝向该壁的内表面有所错移地定位。
3.按照权利要求1或2所述的蒸汽轮机(20)，其中，所述冷却通道(29)基本上沿转子(21)的纵向定向。
4.按照权利要求1至3之一所述的蒸汽轮机(20)，其中，所述工作叶片和导向叶片(22、24)构成一些叶片组，以及，所述各冷却通道(29)沿转子(21)的纵向看延伸经过至少两个、优选更多个彼此相继的叶片组。
5.按照权利要求1至4之一所述的蒸汽轮机(20)，其中，所述各冷却通道(29)合并成一个共同的集成在汽轮机罩壳(23)内的冷却系统。
6.按照权利要求5所述的蒸汽轮机(20)，其中，所述冷却系统包括一些沿各汽轮机壳段的周向定向的分支冷却通道。
7.按照权利要求5或6所述的蒸汽轮机(20)，其中，在所述汽轮机罩壳(23)上悬挂有一定数量的导向叶片(24)，它们可分别通过一个组合在内并与所述冷却系统连通的分支冷却通道冷却。
8.按照权利要求1至7之一所述的蒸汽轮机(20)，其中，所述各冷却通道(29)通过一些溢流孔与一个由汽轮机罩壳(23)围绕的用于流动介质的流动腔连通。
9.按照权利要求8所述的蒸汽轮机(20)，其中，所述各冷却通道(29)和溢流孔按这样的方式确定尺寸，即，使得在工作状态下所述冷却剂具有比所述流动介质略高的压力。
10.按照权利要求9所述的蒸汽轮机(20)，其中，所述各冷却通道(29)对于每个透平级具有至少一个溢流孔。
11.按照权利要求1至10之一所述的蒸汽轮机(20)，其中，所述各冷却通道(29)中被充入蒸汽作为冷却剂。
12.一种用于运行按照权利要求1至10之一所述蒸汽轮机(20)的方法，其中，一个构成流动介质的流动腔室边界的汽轮机罩壳(23)至少部分通过一些集成在其内的冷却通道(29)被加入冷却剂。
13.按照权利要求12所述的方法，其中，所述冷却剂在一个相互连通的由所述冷却通道(29)构成的冷却系统中流动。
14.按照权利要求12或13所述的方法，其中，所述冷却剂从冷却通道(29)出来后被搀入流动介质中。
15.按照权利要求14所述的方法，其中，所述冷却剂以一个比各搀入点处的流动介质中的压力更高的压力被搀混到流动介质中。
16.按照权利要求12至15之一所述的方法，其中，所述冷却剂在一定的压力下被导引流动，该压力沿转子(21)的纵向与在流动介质的流动腔室内存在的本地压力相匹配。
全文摘要
本发明公开了一种蒸汽轮机(20)，它包括一个设有一定数量工作叶片(22)的转子(21)，该转子与一定数量的导向叶片(24)共同配置在由一些汽轮机壳段构成的一个汽轮机罩壳(30)内部，这种蒸汽轮机应设计为适用于以比较高的蒸汽参数，亦即尤其以特别高的蒸汽温度和以特别高的蒸汽压力运行。为此，按照本发明对汽轮机罩壳(30)进行主动冷却，其中，构成汽轮机罩壳的汽轮机壳段中的至少一个设有一定数量集成在其内部的冷却通道(29)。因此，在蒸汽轮机(20)运行时，通过将冷却剂加入冷却通道(29)而主动冷却汽轮机罩壳(30)。
文档编号F01D25/14GK1526915SQ20041000366
公开日2004年9月8日 申请日期2004年2月5日 优先权日2003年2月5日
发明者德特勒夫·哈杰, 德特勒夫 哈杰, 罗特格, 迪特马·罗特格 申请人:西门子公司