[发明专利]涡轮机轴及用于冷却涡轮机轴的方法

说明书

本发明涉及一种涡轮机轴，其沿主轴线设置并具有一个流体进入区，沿轴向与此流体进入区相连有至少两个相互间隔分别用于支承至少一涡轮机叶片的凹槽。本发明还涉及一种用于冷却安装在一涡轮机，尤其是一蒸汽轮机中的一涡轮机轴的进汽区的方法。

在DE 3209506A1中记载了一种轴流式蒸汽轮机，尤其是一种双向流结构的蒸汽轮机。在蒸汽进汽区内，在轴与一环状轴护板之间构成一环形通道。该轴在蒸汽进汽区内具有一旋转对称的槽。所述环状轴护板部分地突入该凹槽内，该护板通过第一导向叶片组与涡轮机箱体连接并由此来支承。轴护板具有一蒸汽导入通道，该通道与进汽区同心并位于第一组导向叶片之间，并切向通入旋转轴与由箱体支承固定的护板之间的缝隙内。

在DE3406071A1中示出一环状轴护板，该护板位于第一组导向叶片的两个轮缘之间。通过该轴护板使涡轮机轴的外周或表面相对新汽屏蔽。轴护板具有位于轮缘上游的进口，通过这些进口部分新汽流被节流进到轴护板与涡轮机轴之间的间隙内。进口应这样倾斜，以使新汽有进入涡轮机轴周边方向的蒸汽流分量。在轴护板的内圆周上以及涡轮机轴上可以装有辅助导向叶片或辅助工作叶片。

为提高蒸汽轮机效率，可采用高压高温蒸汽，尤其是具有所谓的超临界蒸汽状态的蒸汽，其温度例如超过了550℃。这种蒸汽的应用提高了对蒸汽轮机，尤其是蒸汽轮机轴的承载要求。

在日本专利申请JP 58/133402A1的摘要中描述了一种箱式结构的双向流蒸汽轮机。其中，在涡轮机轴上装有工作轮盘，在其各自的外端装有涡轮机工作叶片。在工作流体流入的涡轮机轴的中部设有一盖板，该盖板通过相应的第一导向叶片组被固定。设置在工作轮盘上端的盖板对于一面由工作轮盘的侧面及另一面由涡轮机轴构成的空间区域形成不封闭闭合。在此限定空间区域的工作轮盘上设有工作流体可流入该空间区域内的一些开孔。这些开孔具有不同的尺寸，因此在该空间区域内产生一负压，使工作流体可以通过至少一个工作轮盘进入此空间区域内。

本发明的目的在于提供一种涡轮机轴，该轴在一个受高热负荷的区域内，尤其是在工作流体介质的流入区域内可被冷却。本发明的另一目的在于，提供一种对装在涡轮机上的涡轮机轴，尤其是对涡轮机轴的进汽区域进行冷却的方法。

本发明有关涡轮机轴方面的目的是通过这样一种涡轮机轴来实现的，该轴沿主轴设置并具有一个工作流体流入区域，和至少两个沿轴向相互间隔及与流入区域相间隔并分别用来支承至少一涡轮叶片的凹槽，以及一与流入区域相配的空腔。该空腔与作为冷却流体的工作流体分流的一导入通道和一导出通道相连。该导入通道优选从第一凹槽下游的轴表面处进入空腔，该导出通道则由空腔通到第二凹槽下游的轴表面处。第二凹槽较第一凹槽处于更下游处。由此来保证，工作流体在第二凹槽区域内比在第一凹槽区域内具有不仅更低的压力而且更低的温度。当驱动涡轮轴的工作流体用来作为涡轮机轴冷却用的冷却流体，能够保证通过所存在的温度和/或压力梯度而使流体通过空腔。空腔优选对于涡轮轴轴向是旋转对称的。

通过对轴的材料的冷却可明显提高其自身的承载能力并因此能够采用合理的制造方法，如在很高的蒸汽进入温度范围也可使用常规的经济的轴材料。

当涡轮机轴受工作流体驱动，尤其是用超临界状态的蒸汽冲击它使其工作时，通过冷却流体导入空腔可实现涡轮机轴在进汽区域的冷却。被导入进汽区域处的空腔用来冷却涡轮机轴的冷却流体在此可以是由已经冷却的工作流体，尤其是蒸汽分流出的分流。在空腔内用来冷却的冷却流体通过热传导被加热。当冷却流体与驱动其中装有涡轮机轴的涡轮机的工作流体相同时，可以使空腔成为中间过热器。由此被中间加热的冷却流体可以作为工作流体在相应的位置处再被导回到涡轮机，尤其是蒸汽涡轮机中，或者通过一抽汽头抽出。

对于双向流涡轮机，尤其是中压蒸汽涡轮机的涡轮机轴，所述进汽区域优选沿着主轴设置在涡轮机轴的中部。该进汽区域此外还用来分配所流入的驱动涡轮机的工作流体。该空腔沿径向优选被深度车削而成并沿轴向位于第一组工作叶片之间。