蒸汽涡轮发电设备的冷却方法及装置 技术领域 本发明涉及一种蒸汽涡轮发电设备的冷却方法及装置， 在具有将多个涡轮部收容 在一个壳体内， 并利用平衡密封部对该多个涡轮部之间进行分隔的对流壳体一体式蒸汽涡 轮的蒸汽涡轮发电设备中， 提高配置在该平衡密封部以及该平衡密封部的内侧的转子轴的 冷却效果。
背景技术 近年来， 节省能源和保护环境 ( 减少 Co2 排放 ) 的必要性正在得到呼吁， 在蒸汽涡 轮发电机中， 也正在要求大容量化和提高热效率。热效率的提高是通过提高工作蒸汽的温 度和压力进行的。并且， 在涡轮转子中， 涡轮转子的旋转会产生高的应力。因此， 涡轮转子 需要耐高温、 耐高应力， 在工作蒸汽的高温化趋势中， 涡轮转子的冷却技术成为重要课题。
另一方面， 随着蒸汽涡轮发电机的大容量化趋势， 正在从单壳体式的蒸汽涡轮过 渡到串联混合式 ( タンデムコンパウンド ) 的蒸汽涡轮发电机， 该串联紧凑式的蒸汽涡轮 发电机将高压涡轮、 中压涡轮、 低压涡轮等收容在不同壳体内， 并在同一轴线上连结上述各 级涡轮以及发电机的各轴。
在这种形式的发电机中， 在锅炉设置一级以上的再热器， 并利用再热器对从各级 的蒸汽涡轮排出的排气蒸汽进行再加热， 将其作为再热蒸汽供给到低压侧的蒸汽涡轮。并 且， 通过将多级的蒸汽涡轮的转子轴和发电机的轴连结在一轴上， 确保相对于转子轴系摆 动的稳定性。
相反地， 在串联紧凑式的蒸汽涡轮发电机中， 也采用如下结构， 即， 为了减少壳体 数量， 缩短整个转子轴的长度并使整个发电机紧凑化， 而将工作蒸汽压力不同的多个蒸汽 涡轮收容在一个壳体内。在该结构中， 例如， 将高压涡轮和中压涡轮收容在一个壳体内， 并 使平衡密封部介于它们之间， 夹持该平衡密封部地设置向各个涡轮部供给工作蒸汽的蒸汽 导入部， 在壳体内设置有使各工作蒸汽作为对流 ( 流动方向左右对称 ) 而在各叶栅中流动 的高中压对流壳体一体式的蒸汽涡轮。
图 12 表示该结构的蒸汽涡轮发电机的一例。图 12 表示普通蒸汽涡轮发电机， 其 具有两级再热方式的、 高中压对流壳体一体式的蒸汽涡轮。下面， 为了方便， 有时将超高压 简称为 “VHP” 、 高压简称为 “HP” 、 高中压简称为 “HIP” 、 低压简称为 “LP” 。
在图 12 中， 在锅炉 2 中设置过热器 21， 通过该过热器 21 生成的蒸汽导入并驱动 VHP 涡轮 1。VHP 涡轮 1 的排气蒸汽被设置在锅炉 2 内的第一再热器 22 再加热， 成为 HP 蒸 汽。HP 蒸汽作为工作蒸汽导入高中压对流、 壳体一体式的 HIP 涡轮 3 的 HP 涡轮部 31， 并驱 动 HIP 涡轮 3 的 HP 涡轮部 31。
HP 涡轮部 31 的排气蒸汽被设置在锅炉 2 内的第二再热器 23 再加热， 成为 IP 蒸 汽。IP 蒸汽导入并驱动 HIP 涡轮 3 的 IP 涡轮部 32。IP 涡轮部 32 的排气蒸汽通过跨越管 321， 导入并驱动 LP 涡轮 4。LP 涡轮 4 的排气蒸汽在冷凝器 5 凝结， 被锅炉供水泵 6 加压， 并返回锅炉 2， 在锅炉 2 的过热器 21 中被再次加热， 从而成为 VHP 蒸汽， 在 VHP 涡轮 1 中循
环。 特许文献 1 公开了一种具有两级再热器的锅炉的串联紧凑式的蒸汽涡轮发电机， 将超高压涡轮和高压涡轮、 或者高压涡轮和中压涡轮收容在一个壳体内， 作为对流壳体一 体式蒸汽涡轮。
在单壳体式蒸汽涡轮或高中压对流壳体一体式蒸汽涡轮等中， 没有进行工作且温 度维持在高温的蒸汽会流入的平衡密封部与转子轴之间的间隙， 该平衡密封部对高压涡轮 部与低压涡轮部进行分隔。由此， 该平衡密封部和转子轴会暴露在高温环境中。因此， 在现 有技术中提出了冷却该部分的冷却机构。
例如， 在特许文献 2 的图 2 ～ 5 和特许文献 3 的图 2 中公开的单壳体式蒸汽涡轮 中， 使供给到高压涡轮部并通过初级静叶片的初级静叶片出口的蒸汽通过平衡密封部与转 子轴之间的间隙， 流入中压涡轮部的入口部， 从而对平衡密封部和转子轴的高温区域进行 冷却。下面， 利用图 13 对该冷却机构进行说明。
图 13 是表示图 12 所示的蒸汽涡轮发电机的 HIP 涡轮 3 的工作蒸汽供给部附近的 截面图。在图 13 中， 在 HIP 涡轮 3 中， 在 HP 蒸汽和 IP 蒸汽的导入部附近， 在涡轮转子 7 的 外周侧形成有 HP 涡轮叶栅部 71、 HP 平衡部 72、 IP 平衡部 73 以及 IP 涡轮叶栅部 74。在 HP 涡轮叶栅部 71 以规定间隔形成 HP 动叶片部 71a， 在该 HP 动叶片部 71a 之间配置有 HP 叶片 环 8 的 HP 静叶片部 8a。并且， 在 HP 涡轮叶栅部 71 的最上游部配置有 HP 初级静叶片 8a1。
并且， 在 IP 涡轮叶栅部 74 以规定间隔形成有 IP 动叶片部 74a， 在该 IP 动叶片部 74a 之间配置有 IP 叶片环 9 的 IP 静叶片部 9a。并且， 在 IP 涡轮叶栅部 74 的最上游部形 成有 IP 初级静叶片 9a1。在 HP 叶片环 8 与 IP 叶片环 9 之间， 设置有用于密封 HP 涡轮部 31 与 IP 涡轮部 32 的平衡环 10。并且， 在叶片环 8、 9 以及平衡环 10 的接近涡轮转子 7 的 位置， 设置有用于限制蒸汽向各处的泄漏的密封翼片部 11。
平衡环 10 和涡轮转子 7 的冷却机构的结构如下 ： HP 涡轮的初级静叶片 8a1 的出 口 T 的蒸汽的一部分向 IP 涡轮部 32 的入口部流动。即， HP 涡轮的初级静叶片 8a1 的出口 T 的蒸汽的一部分作为 HP 平衡蒸汽 72c 在 HP 平衡环 72a 与 HP 平衡部转子 72b 之间流动， 因此， 将这一部分蒸汽作为中压平衡蒸汽 73c 使用， 使其在中压平衡环 73a 与中压平衡部转 子 73b 之间流动， 对中压平衡环 73a 的内面和转子 7 的中压入口部进行冷却。
并且， 在平衡环 10 沿径向设置有蒸汽排出路径 10a， 如箭头 72d 所示， 为了使推力 平衡， HP 平衡蒸汽 72c 通过蒸汽排出路径 10a， 并被导入 HP 涡轮部 31 的未图示的排气蒸汽 管。
在该结构中， 在与 HP 涡轮部 31 的初级静叶片 8a1 的入口以及 IP 涡轮的初级静叶 片 9a1 的入口的蒸汽温度相比， HP 涡轮部 31 的初级静叶片 8a1 的出口 T 的蒸汽温度更低 的情况下， 能够冷却 HIP 涡轮 3 的 HP 蒸汽和 IP 蒸汽的导入部附近。
并且， 也有 HP 涡轮部 31 和 IP 涡轮部 32 不同壳体的、 所谓 VHP-HP-IP 结构的二级 再热涡轮。在该结构中， 利用各蒸汽涡轮的初级静叶片出口的蒸汽冷却 HP 涡轮和 IP 涡轮 的蒸汽导入部。
然而， 在现有的蒸汽涡轮发电机中， 作为冷却蒸汽使用的 HP 涡轮的初级静叶片 8a1 的出口蒸汽会在初级静叶片 8a1 的内部膨胀， 因此， 虽然与流入 HP 涡轮 31 的工作蒸汽 相比温度低一些， 但是， 不能期待得到更好的冷却效果。
并且， 在与 IP 涡轮部 32 的初级静叶片 9a1 的出口的蒸汽温度相比， HP 涡轮部 31 的初级静叶片 8a1 的出口 T 的蒸汽温度不低时， 作为 IP 涡轮部叶栅部 74 的冷却蒸汽是无 效的。并且， HP 涡轮部 31 的初级静叶片 8a1 的出口部的蒸汽是在 HP 涡轮部叶栅部 71 进 行工作前的蒸汽， 将其作为冷却蒸汽使用， 在热效率方面是一种浪费。
在特许文献 2 的图 1 所图示的单壳体式蒸汽涡轮中公开了如下结构 ： 使从高压涡 轮部排出的排气蒸汽的一部分通过配管 105， 并作为冷却蒸汽供给到中压涡轮部的叶栅入 口部 44。
并且， 在特许文献 3 的图 1 所图示的单壳体式蒸汽涡轮中公开了如下结构 ： 同样 地， 使从高压涡轮部排出的排气蒸汽的一部分通过推力平衡管 106， 并作为冷却蒸汽供给到 中压涡轮部的入口部 44。
在特许文献 4 中公开了一种冷却机构， 在高中压对流壳体一体式的蒸汽涡轮中， 利用与壳体内壳体外的低温蒸汽进行热交换的热交换器 16， 使通过高压涡轮部的初级静叶 片并进行了工作的蒸汽成为低温， 将该低温蒸汽作为冷却蒸汽供给到对高压涡轮部与中压 涡轮部进行分隔的平衡密封部与转子轴之间的间隙。
特许文献 1 ： ( 日本 ) 特开 2000-274208 号公报 特许文献 2 ： ( 日本 ) 实开平 1-113101 号公报
特许文献 3 ： ( 日本 ) 特开平 9-125909 号公报
特许文献 4 ： ( 日本 ) 特开平 11-141302 号公报
特许文献 2 的图 1 和特许文献 3 的图 1 所图示的单壳体式蒸汽涡轮的冷却机构均 为主要冷却中压涡轮部的入口部的机构， 而不是为了冷却对高压涡轮部与中压涡轮部进行 分隔的平衡密封部以及位于该平衡密封部的内侧的转子轴的机构。
即， 在上述冷却机构中， 与被供给到高压侧涡轮部的工作蒸汽经由初级静叶片出 口并在平衡密封部与转子轴之间的间隙流动的蒸汽相比， 被供给到对高压侧涡轮部与中压 涡轮部进行分隔的平衡密封部与中压涡轮部之间的高压侧涡轮部的排气蒸汽压力更低， 以 使其在中压涡轮部侧流动。
因此， 作为冷却蒸汽供给的高压涡轮部的排气蒸汽与经由初级静叶片出口后的蒸 汽合流， 向中压涡轮部侧流动， 从而冷却中压涡轮部。因此， 平衡密封部与转子轴之间的间 隙不能被冷却到初级静叶片出口的蒸汽温度以下。
并且， 在特许文献 4 中公开的冷却机构中， 通过热交换器对仅通过高压涡轮部的 初级动叶片而不怎么做功的高温蒸汽进行冷却， 将该冷却后的蒸汽供给到对高压涡轮部与 低压涡轮部进行分隔的平衡密封部， 这不仅在热效率方面是一种浪费， 而且需要多余设备， 存在成本变高的问题。
并且， 高温蒸汽在涡轮转子的周围回流， 并且， 涡轮转子的旋转会产生大的应力。 因此， 涡轮转子需要由耐高温、 耐高应力的材料制造， 特别地， 有时高温部分由具有高温、 高 强度的 Ni 基合金等构成。此时， 由于 Ni 基合金的能够制造的尺寸具有上限， 且价格高， 因 此， 在必须的部位使用 Ni 基合金， 其他部位使用 12Cr 钢或 CrMoV 钢等的具有耐热性的钢铁 材料进行分别制造， 将使用上述不同材质的材料制造的部位进行连结， 使其一体化。
通过焊接等对不同种类的材料构成的部位的接头部进行连结， 然而， 有时焊接部 比其他部分的强度低。 因此， 在对流一体式蒸汽涡轮中， 在焊接部位于对各个蒸汽涡轮部进
行分隔的平衡密封部的内侧时， 有时不能充分地冷却该焊接部。 发明内容 本发明是鉴于上述现有技术的问题而作出的， 其目的在于实现一种冷却机构， 在 蒸汽涡轮发电设备中， 包括对流壳体一体式蒸汽涡轮， 该对流壳体一体式蒸汽涡轮将多个 蒸汽涡轮收容在一个壳体内， 并通过平衡密封部对上述涡轮部之间进行分隔， 能够提高该 平衡密封部和配置在该平衡密封部的内侧的转子轴的冷却效果。
为了解决上述问题， 本发明的蒸汽涡轮发电机的冷却方法 ：
一种蒸汽涡轮发电设备的冷却方法， 该蒸汽涡轮发电机包括对流壳体一体式蒸汽 涡轮， 该对流壳体一体式蒸汽涡轮在一个壳体内从低压涡轮到高压侧收容多个涡轮部， 并 利用平衡密封部对上述多个涡轮部之间进行分隔， 该蒸汽涡轮发电设备的冷却方法冷却该 平衡密封部和配置在该平衡密封部的内侧的转子轴，
该方法包括 ：
冷却蒸汽供给工序， 其将冷却蒸汽供给到设置在分隔各个涡轮部的所述平衡密封 部的冷却蒸汽供给路径， 该冷却蒸汽具有比在蒸汽涡轮发电机内产生， 并被供给到所述对 流壳体一体式蒸汽涡轮的各个涡轮部的工作蒸汽经过初级静叶片后的初级静叶片出口蒸 汽的温度更低的温度， 并且， 具有大于等于该初级静叶片出口蒸汽的压力 ；
冷却工序， 其通过将该冷却蒸汽经由该冷却蒸汽供给路径导入形成在该平衡密封 部与转子轴之间的间隙， 并使冷却蒸汽与该初级静叶片出口蒸汽相逆而在该间隙流通， 从 而冷却该平衡密封部和转子轴。
在本发明方法中， 冷却蒸汽通过冷却蒸汽供给路径， 供给到形成在平衡密封部与 转子轴之间的间隙， 该冷却蒸汽的温度比在蒸汽涡轮发电机内产生， 并供给到对流壳体一 体式蒸汽涡轮的各个涡轮部的工作蒸汽经过初级静叶片后的初级静叶片出口蒸汽的温度 更低。由此， 与前述的现有的冷却机构相比， 能够提高该平衡密封部和转子轴的冷却效果。 并且， 通过使冷却蒸汽的压力大于等于所述初级静叶片出口蒸汽的压力， 能够使冷却蒸汽 与该初级静叶片出口蒸汽相逆而遍布所述间隙， 因此， 能够提高该平衡密封部和转子轴的 冷却效果。
由此， 能够防止平衡密封部和涡轮转子的温度上升， 保护平衡密封部或涡轮转子， 并且， 能够提高用于上述部件的原材料的选择自由度。特别是能够缩小用于涡轮转子的高 温部位的 Ni 基合金等构成的涡轮转子的制作尺寸， 涡轮转子变得容易制造。
在本发明中， 能够选择在蒸汽涡轮发电设备中产生的其他蒸汽作为冷却蒸汽， 因 此， 能够可靠地得到冷却效果。
在本发明方法中， 在所述对流壳体一体式蒸汽涡轮由工作蒸汽压力不同的高压侧 涡轮部和低压侧涡轮部构成时， 优选设置排出工序， 其将在所述冷却工序中用于该平衡密 封部和转子轴的冷却后的冷却蒸汽从形成在该平衡密封部的冷却蒸汽排出路径向排气蒸 汽管排出， 该排气蒸汽管向后级侧蒸汽涡轮供给蒸汽。 由此， 在平衡密封部和转子轴之间的 间隙不会滞留用于冷却后的冷却蒸汽， 能够顺畅地进行冷却蒸汽的替换， 因此， 能够提高平 衡密封部和转子轴的冷却效果。并且， 通过将用于冷却后的冷却蒸汽从该冷却蒸汽排出路 径排出， 即使在工作蒸汽压力不同的涡轮部， 也能够保持涡轮转子的推力平衡。
在本发明方法中， 更为优选 ： 在比所述冷却蒸汽排出路径更靠近所述低压侧涡轮 部的所述间隙， 使所述冷却蒸汽供给路径开口， 并且， 使冷却蒸汽与从低压侧涡轮部流入所 述间隙的、 经过低压侧涡轮部的初级静叶片的所述初级静叶片出口蒸汽相逆而通过该间 隙， 之后， 使冷却蒸汽从该高压侧涡轮部的初级静叶片出口分流， 并与流入靠近该高压侧涡 轮部的所述间隙的蒸汽一起从该冷却蒸汽排出路径排出。
由此， 在使进行冷却后的冷却蒸汽通过该间隙后， 能够使其与从高压侧涡轮部的 初级静叶片出口迂回而来的初级静叶片出口蒸汽一起， 从该冷却蒸汽排出路径排出。 因此， 由于能够使冷却蒸汽迅速地遍布整个该间隙， 因此， 能够进一步提高冷却效果。
并且， 在通过接合不同材质的材料构成的分割体构成转子轴， 并且， 面对所述间隙 而形成一体地连结该转子轴的接头部时， 根据本发明方法， 由于能够提高高温强度弱的该 接头部的冷却效果， 因此， 能够防止该接头部的强度降低。
能够直接用于上述本发明方法的实施的本发明的蒸汽涡轮发电设备的冷却装 置：
一种蒸汽涡轮发电设备的冷却装置， 该蒸汽涡轮发电设备包括的对流壳体一体式 蒸汽涡轮， 该对流壳体一体式蒸汽涡轮在一个壳体从低压涡轮到高压侧收容多个涡轮部， 通过平衡密封部对上述多个涡轮部之间进行分隔， 该蒸汽涡轮发电设备的冷却方法冷却该 平衡密封部和配置在该平衡密封部的内侧的转子轴，
该冷却方法包括 ：
冷却蒸汽供给路径， 其形成在所述平衡密封部， 并在该平衡密封部与转子轴之间 的间隙开口 ；
冷却蒸汽管， 其与该冷却蒸汽供给路径连接， 并向该冷却蒸汽供给路径供给冷却 蒸汽， 该冷却蒸汽具有比在蒸汽涡轮发电设备内产生并被供给到所述对流壳体一体式蒸汽 涡轮的各个涡轮部的工作蒸汽经过初级静叶片后的初级静叶片出口蒸汽的温度更低的温 度， 并且， 具有大于等于该初级静叶片出口蒸汽的压力，
使该冷却蒸汽经由该冷却蒸汽供给路径在平衡密封部与转子轴之间的间隙流通， 从而冷却该平衡密封部和转子轴。
在本发明装置中， 冷却蒸汽通过冷却蒸汽供给路径， 并被供给到形成在平衡密封 部与转子轴之间的间隙， 该冷却蒸汽的温度比在蒸汽涡轮发电设备内产生， 并被供给到对 流壳体一体式蒸汽涡轮的各个涡轮部的工作蒸汽经过初级静叶片后的初级静叶片出口蒸 汽的温度更低。 由此， 与前述的现有的冷却机构相比， 能够提高该平衡密封部和转子轴的冷 却效果。
并且， 通过使冷却蒸汽的压力大于等于所述初级静叶片出口蒸汽的压力， 能够使 冷却蒸汽与该初级静叶片出口蒸汽相逆而遍布所述间隙， 因此， 能够提高该平衡密封部和 转子轴的冷却效果。
由此， 能够防止平衡密封部和涡轮转子的温度上升， 保护平衡密封部或涡轮转子， 并且， 能够提高用于上述部件的原材料的选择自由度。特别是能够缩小用于涡轮转子的高 温部位的 Ni 基合金等构成的涡轮转子的制作尺寸， 涡轮转子变得容易制造。
在本发明中， 能够选择在蒸汽涡轮发电机中产生的其他蒸汽作为冷却蒸汽， 因此， 能够切实地得到冷却效果。在本发明方法中， 优选在所述对流壳体一体式蒸汽涡轮由工作蒸汽压力不同的高 压侧涡轮部和低压侧涡轮部构成时， 具有冷却蒸汽排出路径， 该冷却蒸汽排出路径形成在 平衡密封部并在所述间隙开口， 而且与向后级侧蒸汽涡轮供给蒸汽的排气蒸汽管连接， 在 使冷却蒸汽在该间隙流通从而冷却平衡密封部和转子轴后， 使其从该冷却蒸汽排出路径向 排气蒸汽管排出， 该排气蒸汽管向后级侧蒸汽涡轮供给蒸汽。
由此， 在平衡密封部与转子轴之间的间隙不会滞留用于冷却后的冷却蒸汽， 能够 顺畅地进行冷却蒸汽的替换， 因此， 能够提高平衡密封部和转子轴的冷却效果。并且， 通 过使用于冷却后的冷却蒸汽从该冷却蒸汽排出路径排出， 即使在工作蒸汽压力不同的涡轮 部， 也能够保持涡轮转子的推力平衡。
在本发明方法中， 更为优选 ： 在比所述冷却蒸汽排出路径更靠近所述低压侧涡轮 部的所述间隙， 使所述冷却蒸汽供给路径开口， 并且， 使冷却蒸汽与从低压侧涡轮部流入所 述间隙的、 经过低压侧涡轮部的初级静叶片的所述初级静叶片出口蒸汽相逆而通过该间 隙， 之后， 使冷却蒸汽从该高压侧涡轮部的初级静叶片出口分流， 并与流入靠近该高压侧涡 轮部的所述间隙的蒸汽一起从该冷却蒸汽排出路径排出。
由此， 在使进行冷却后的冷却蒸汽通过该间隙后， 能够使其与从高压侧涡轮部的 初级静叶片出口迂回而来的初级静叶片出口蒸汽一起， 从该冷却蒸汽排出路径排出。 因此， 由于能够使冷却蒸汽迅速地遍布整个该间隙， 因此， 能够进一步提高冷却效果。 在本发明装置中， 具有超高压涡轮， 对流壳体一体式蒸汽涡轮的高压侧涡轮部是 高压涡轮， 该对流壳体一体式蒸汽涡轮的低压侧涡轮部是中压涡轮， 将该超高压涡轮的排 气蒸汽的一部分或该超高压涡轮的抽气蒸汽作为所述冷却蒸汽供给到所述冷却蒸汽供给 路径即可。
与现有技术中作为冷却蒸汽使用的高压涡轮部的初级静叶片的出口的蒸汽的温 度相比， 在超高压涡轮完成做功后的排气蒸汽或抽气蒸汽的温度足够低。由于将上述排气 蒸汽或抽气蒸汽作为冷却蒸汽， 因此， 能够提高平衡密封部和转子轴的冷却效果。
在本发明装置中， 将对流壳体一体式蒸汽涡轮的高压侧涡轮部的排气蒸汽的一部 分或该高压侧涡轮部的抽气蒸汽作为所述冷却蒸汽供给到冷却蒸汽供给路径即可。 高压侧 涡轮部的排气蒸汽或抽气蒸汽是在高压侧涡轮部完成做功后的蒸汽， 与现有的冷却方法中 作为冷却蒸汽使用的高压涡轮的初级静叶片的出口的蒸汽相比温度更低。
因此， 通过将排气蒸汽或抽气蒸汽作为冷却蒸汽， 能够提高涡轮密封部和转子轴 的冷却效果。
在本发明装置中， 在锅炉中具有对蒸汽进行过热的过热器， 将从该过热器中抽出 的蒸汽作为所述冷却蒸汽供给到所述冷却蒸汽供给路径即可。与现有技术中作为冷却蒸 汽使用的高压涡轮的初级静叶片的出口的蒸汽相比， 从锅炉过热器抽出的蒸汽的温度足够 低。
因此， 通过将排气蒸汽或抽气蒸汽作为冷却蒸汽， 能够提高涡轮密封部和转子轴 的冷却效果。
在本发明装置中， 在锅炉中具有再热器， 该再热器对从蒸汽涡轮排出的排气蒸汽 进行再热， 将从该再热器抽出的锅炉再热蒸汽作为冷却蒸汽供给到所述冷却蒸汽供给路径 即可。 与现有技术中作为冷却蒸汽使用的高压涡轮部的初级静叶片的出口的蒸汽的温度相
比， 从锅炉再热器抽出的蒸汽的温度足够低。 因此， 通过将该排气蒸汽或抽气蒸汽作为冷却 蒸汽来利用， 能够提高涡轮密封部和转子轴的冷却效果。
在本发明装置中， 也可以是如下结构 ： 包括 ： 由高温高压侧的第一高压涡轮部和 低温低压侧的第二高压涡轮部构成的高压涡轮、 高温高压侧的第一中压涡轮部和低温低压 侧的第二中压涡轮部构成的中压涡轮以及具有制造过热蒸汽的过热器的锅炉， 将该第一高 压涡轮部和该第一中压涡轮部构成为对流壳体一体式蒸汽涡轮， 并且在平衡密封部设置冷 却蒸汽供给路径， 将从过热器抽出的蒸汽作为冷却蒸汽供给到所述冷却蒸汽供给路径。
在上述结构中， 作为对第一中压涡轮部与第一高压涡轮部进行分隔的平衡密封部 和转子轴的冷却蒸汽， 而使用与第一中压涡轮部的入口部的工作蒸汽温度相比温度足够低 的锅炉过热器的抽气蒸汽 ( 被该过热器加热， 并在该过热器的中途被抽出的抽气蒸汽 )。 锅 炉过热器的抽气蒸汽是在锅炉加热至规定温度前的蒸汽， 与现有的冷却方法中作为冷却蒸 汽使用的高压涡轮部的初级静叶片的出口的蒸汽相比， 温度足够低。通过将该抽气蒸汽作 为冷却蒸汽， 能够得到足够的冷却效果。
在本发明装置中， 也可以采用如下结构 ： 包括高压涡轮、 由高温高压侧的第一中压 涡轮部和低温低压侧的第二中压涡轮部构成的中压涡轮以及具有制造过热蒸汽的过热器 的锅炉， 将该高压涡轮和该第二中压涡轮部构成为对流壳体一体式蒸汽涡轮， 在平衡密封 部设置冷却蒸汽供给路径， 将从过热器抽出的蒸汽作为冷却蒸汽供给到所述冷却蒸汽供给 路径。 在上述结构中， 作为对该高压涡轮与该第二中压涡轮部进行分隔的平衡密封部以 及配置在该平衡密封部的内侧的转子轴的冷却蒸汽， 而使用与该高压涡轮或该第二中压涡 轮部的入口部的工作蒸汽温度相比温度足够低的、 来自锅炉过热器的抽气蒸汽。 因此， 与现 有技术相比， 能够提高该平衡密封部和转子轴的冷却效果。 这是因为， 来自锅炉过热器的抽 气蒸汽是在锅炉加热至规定温度前的蒸汽， 与在现有的冷却方法中作为冷却蒸汽使用的高 压涡轮部的初级静叶片的出口的蒸汽相比， 温度更低。
在本发明装置中， 也可以采用如下结构 ： 包括 ： 高压涡轮， 其由高温高压侧的第一 高压涡轮部和低温低压侧的第二高压涡轮部构成 ； 中压涡轮， 其由高温高压侧的第一中压 涡轮部和低温低压侧的第二中压涡轮部构成， 将该第一高压涡轮部和该第一中压涡轮部构 成为对流壳体一体式蒸汽涡轮并且在平衡密封部设置冷却蒸汽供给路径， 设置有形成在该 平衡密封部并与该第一高压涡轮部的排气蒸汽管连接的冷却蒸汽排出路径， 将从该第一高 压涡轮部的叶栅之间抽出的蒸汽作为冷却蒸汽供给到该冷却蒸汽供给路径， 并且， 将该第 一高压涡轮部的初级静叶片出口蒸汽作为冷却蒸汽供给到所述间隙， 使各冷却蒸汽合流， 并经由冷却蒸汽排出路径， 从所述排气蒸汽管排出。
在上述结构中， 作为平衡密封部和转子轴的冷却蒸汽而使用与第一高压涡轮的入 口部的工作蒸汽温度相比， 温度足够低的第一高压涡轮部的抽气蒸汽。第一高压涡轮部的 抽气蒸汽是在涡轮转子做功后的蒸汽， 与在现有的冷却方法中作为冷却蒸汽使用的高压涡 轮部的初级静叶片的出口的蒸汽相比， 温度足够低。因此， 与现有技术相比， 能够提高该平 衡密封部和转子轴的冷却效果。
并且， 结合第一高压涡轮部的抽气蒸汽实现的冷却效果， 该第一高压涡轮部的初 级静叶片出口蒸汽对第一高压涡轮部的工作蒸汽导入部附近进行冷却， 因此， 能够进一步
提高平衡密封部和转子轴的冷却效果。
将进行冷却后的该抽气蒸汽与该初级静叶片出口蒸汽合并， 并从冷却蒸汽排出路 径排出， 因此， 能够防止上述蒸汽在平衡密封部与转子轴之间的间隙的滞留， 能够维持冷却 效果， 并且， 能够良好地维持涡轮转子的推力平衡。
在上述结构的基础上， 也可以具有对从第一高压涡轮部的叶栅之间抽出的抽气蒸 汽进行冷却的冷却装置， 利用该冷却装置冷却该抽气蒸汽后， 将其作为冷却蒸汽供给到所 述冷却蒸汽供给路径。
该冷却装置也可以是如下结构， 例如， 将通过抽气蒸汽的配管构成为涡形或带翼 片的配管， 利用风扇向上述配管吹冷气而冷却抽气蒸汽。或者， 也可以是双重配管结构， 使 冷却水在一个空间中流动， 冷却抽气蒸汽。由此能够进一步提高冷却效果。
根据本发明方法， 一种蒸汽涡轮发电设备的冷却方法， 该蒸汽涡轮发电设备包括 对流壳体一体式蒸汽涡轮， 该对流壳体一体式蒸汽涡轮在一个壳体从低压涡轮到高压侧收 容多个涡轮部， 并通过平衡密封部对上述多个涡轮部之间进行分隔， 该蒸汽涡轮发电设备 的冷却方法从而对该平衡密封部和配置在该平衡密封部的内侧的转子轴进行冷却， 该方法 包括 ： 冷却蒸汽供给工序， 其将冷却蒸汽供给到设置在对各个涡轮部进行分隔的平衡密封 部的冷却蒸汽供给路径， 冷却蒸汽具有比在蒸汽涡轮发电设备内产生并被供给到对流壳体 一体式蒸汽涡轮的各个涡轮部的工作蒸汽经过初级静叶片后的初级静叶片出口蒸汽的温 度更低的温度， 并且， 具有大于等于该初级静叶片出口蒸汽的压力 ； 冷却工序， 其将该冷却 蒸汽经由该冷却蒸汽供给路径导入形成在该平衡密封部与转子轴之间的间隙， 通过使冷却 蒸汽与该初级静叶片出口蒸汽相逆而在该间隙流通， 来冷却该平衡密封部和转子轴， 因此， 不需大型设备就能够提高所述平衡密封部和转子轴的冷却效果。 由此， 能够提高平衡密封部或涡轮转子的保护效果， 并且， 能够提高用于上述部件 的原材料的选择自由度。特别是能够缩小用于涡轮转子的高温部位的 Ni 基合金等构成的 涡轮转子的制作尺寸， 涡轮转子变得容易制造。
并且， 在对所述平衡密封部和转子轴进行冷却时， 在它们的周边， 在旋转部或静止 部采用焊接结构的情况下， 即使在预计焊接部的强度比母材部低的强度设计中， 也能够给 出富余。这一点也有利于实际的涡轮设计。
根据本发明， 一种蒸汽涡轮发电设备的冷却装置， 该蒸汽涡轮发电设备包括对流 壳体一体式蒸汽涡轮， 该对流壳体一体式蒸汽涡轮在一个壳体从低压涡轮到高压侧收容多 个涡轮部， 并利用平衡密封部对上述多个涡轮部之间进行分隔， 该蒸汽涡轮发电设备从而 冷却该平衡密封部和配置在该平衡密封部的内侧的转子轴， 该冷却装置包括 ： 冷却蒸汽供 给路径， 其形成在所述平衡密封部并在该平衡密封部与转子轴之间的间隙开口 ； 冷却蒸汽 管， 与该冷却蒸汽供给路径连接， 并向该冷却蒸汽供给路径供给冷却蒸汽， 该冷却蒸汽具有 比在蒸汽涡轮发电机内产生并被供给到所述对流壳体一体式蒸汽涡轮的各个涡轮部的工 作蒸汽经过初级静叶片后的初级静叶片出口蒸汽的温度更低的温度， 并且， 具有大于等于 该初级静叶片出口蒸汽的压力， 使该冷却蒸汽经由该冷却蒸汽供给路径在平衡密封部与转 子轴之间的间隙流通， 冷却该平衡密封部和转子轴。由此能够得到与上述本发明方法相同 的作用效果。
附图说明 图 1 是表示适用于本发明的蒸汽涡轮发电机的第一实施方式的系统图。
图 2 是表示图 1 的 HIP 涡轮 3 的工作蒸汽导入部的结构的截面图。
图 3 是表示第一实施方式的变形例的说明图， 图 3(a) 是三级再热发电机的例子， 图 3(b) 是四级再热发电机的例子。
图 4 是表示适用于本发明的蒸汽涡轮发电机的第二实施方式的系统图。
图 5 是表示图 4 的 HP 涡轮 131 的工作蒸汽导入部的结构的截面图。
图 6 是表示适用于本发明的蒸汽涡轮发电机的第三实施方式的系统图。
图 7 是表示适用于本发明的蒸汽涡轮发电机的第四实施方式的系统图。
图 8 是表示适用于本发明的蒸汽涡轮发电机的第五实施方式的系统图。
图 9 是表示适用于本发明的蒸汽涡轮发电机的第六实施方式的系统图。
图 10 是表示适用于本发明的蒸汽涡轮发电机的第七实施方式的系统图。
图 11 是表示图 10 的 HIP1 涡轮 40 的工作蒸汽导入部的结构的截面图。
图 12 是表示现有的蒸汽涡轮发电机的系统图。
图 13 是表示图 12 的 HIP 涡轮 3 的工作蒸汽导入部的结构的截面图。
具体实施方式
下面， 利用图中所示的实施方式对本发明进行详细说明。 然而， 只要没有对该实施 方式中记载的构成零件的尺寸、 材质、 形状及其相对位置等进行特别说明， 那么该发明的范 围就不仅限于此。
( 第一实施方式 )
图 1 和图 2 表示适用于本发明的蒸汽涡轮发电机的第一实施方式。在图 1 中， 本 实施方式的蒸汽涡轮发电机 (VHP-HIP-LP 结构 ) 包括 ： VHP 涡轮 1 ； 过热器 21 ； 具有第一级 再热器 22 和第二级再热器 23 的二级再热式锅炉 2 ； 将 HP 涡轮部 31 和 IP 涡轮部 32 固设 在单轴的涡轮转子， 并将它们收容在一个壳体而构成的高中压对流壳体一体式的蒸汽涡轮 3( 下面称为 “HIP 涡轮 3” )； LP 涡轮 4。
在锅炉 2 的过热器 21 中生成的 VHP 蒸汽 ( 例如、 700℃ ) 经由蒸汽管 211 被导入 VHP 涡轮 1， 从而驱动 VHP 涡轮 1。VHP 涡轮 1 的排气蒸汽 ( 例如， 500℃ ) 的一部分经由排 气蒸汽管 104 被输送到设置在锅炉 2 内的第一再热器 22， 并在此被再加热成为 HP 蒸汽 ( 例 如、 720℃ )。VHP 涡轮 1 的剩余的排气蒸汽经由蒸汽连接管 100 被供给至 HIP 涡轮 3。
接着， 在锅炉 2 中生成的 HP 蒸汽经由蒸汽管 221， 导入并驱动 HP 涡轮部 31。HP 涡 轮部 31 的排气蒸汽经由排气蒸汽管 311 被输送到锅炉 2 的第二再热器 23， 并经过该第二 级再热器 23， 成为 IP 蒸汽 ( 例如、 720℃ )。IP 蒸汽经由蒸汽管 231， 导入 IP 并驱动涡轮部 32。接着， IP 涡轮部 32 的排气通过跨越管 321， 并导入并驱动 LP 涡轮 4。LP 涡轮 4 的排气 蒸汽在冷凝器 5 凝结， 被锅炉供水泵 6 经由冷凝管 601 送回锅炉 2 的过热器 21， 再次成为 VHP 蒸汽， 并在 VHP 涡轮 1 循环。
图 2 表示 HIP 涡轮 3 的工作蒸汽导入部附近的结构。如图 2 所示， 在 HIP 涡轮 3， 在 HP 蒸汽和 IP 蒸汽的导入部附近， 在涡轮转子 7 的外周面形成有 HP 涡轮叶栅部 71、 HP 平 衡部 72、 IP 平衡部 73 以及 IP 涡轮叶栅部 74。在 HP 涡轮叶栅部 71 以规定间隔形成 HP 动叶片部 71a， 在该 HP 动叶片部 71a 之间配置有 HP 叶片环 8 的 HP 静叶片 8a。并且， 在 HP 涡 轮叶栅部 71 的最上游部配置有 HP 初级静叶片 8a1。
并且， 在 IP 涡轮叶栅部 74 以规定间隔形成有 IP 动叶片部 74a， 在该 IP 动叶片部 74a 之间配置有 IP 叶片环 9 的 IP 静叶片部 9a。再者， 在 IP 涡轮叶栅部 74 的最上游部配 置有 IP 初级静叶片 9a1。在 HP 叶片环 8 与 IP 叶片环 9 之间设置有对 HP 涡轮部 31 与 IP 涡轮部 32 之间进行密封的平衡环 10。接着， 与叶片环 8、 9 以及平衡环 10 的涡轮转子 7 对 面接近的位置， 设置有用于限制蒸汽向各处的泄漏的密封翼片部 11。 在密封翼片部 11 使用 迷宫密封。
在本实施方式中， 在靠近 HP 涡轮部 31 的平衡环 10， 沿径向形成有冷却蒸汽供给路 径 101。该冷却蒸汽供给路径 101 与蒸汽连接管 100 连接， VHP 涡轮 1 的排气蒸汽 s1( 例如， 500℃ ) 经由蒸汽连接管 100 作为冷却蒸汽被导入冷却蒸汽供给路径 101。排气蒸汽 s1 的 压力被设定为大于等于 HP 蒸汽经过初级静叶片 8a1 后的 HP 初级静叶片出口蒸汽的压力、 或者 IP 蒸汽经过初级静叶片 9a1 后的 IP 初级静叶片出口蒸汽的压力。并且， 排气蒸汽 s1 被设定为比 HP 初级静叶片出口蒸汽和 IP 初级静叶片出口蒸汽温度更低。
冷却蒸汽供给路径 101 在涡轮转子 7 的外周面 72 开口， 因此， 排气蒸汽 s1 到达涡 轮转子 7 的外周面 72。排气蒸汽 s1 在这里向涡轮转子 7 的轴向两侧分流， 并通过与平衡环 10 之间的间隙 720 和 721， 朝向 HP 涡轮叶栅部 71 和 IP 涡轮叶栅部 74。这样， 排气蒸汽 s1 到达 HP 涡轮叶栅部 71 和 IP 涡轮叶栅部 74。
并且， 比冷却蒸汽供给路径 101 更靠向 IP 涡轮部 32 地沿径向形成有冷却蒸汽排 出路径 103。冷却蒸汽排出路径 103 的一端经由排气蒸汽管 102 与排气蒸汽管 311 连接， 并 且， 冷却蒸汽排出路径 103 的另一端在间隙 721 开口。
在本实施方式中， 如图 2 所示， 在将 HP 涡轮部 31 的初级静叶片 8a1 的出口侧蒸汽 压力、 VHP 涡轮 1 的排气蒸汽 s1 的压力、 该 HP 蒸汽通过初级静叶片 8a1 并到达冷却蒸汽排 出路径 103 的排气蒸汽 s2 的压力以及 IP 涡轮部 32 的初级静叶片 9a1 的出口侧蒸汽压力 分别设为 P0、 P1、 P2 以及 P3 时， 各压力满足下式 (1) 所示的关系。
P1 ≥ P0 ＞ P2 ＞ P3.........(1)
排气蒸汽 s1 的压力大于等于在间隙 720 中迂回过来的 HP 排气蒸汽和在间隙 721 中迂回过来的 IP 排气蒸汽的压力， 因此， 遍布整个间隙 720 和 721。这样， 利用排气蒸汽 s1 冷却面向间隙 720、 721 的平衡环 10 和涡轮转子 7 的 HP 平衡部 72。
为了使推力平衡， 冷却蒸汽 s1 的一部分成为排气蒸汽 s2， 通过冷却蒸汽排出路径 103， 并从与该冷却蒸汽排出路径 103 连接的排气蒸汽管 102 向排气蒸汽管 311 排出。
另外， 在 HP 涡轮叶栅部 71 和 IP 涡轮叶栅部 74 的各叶栅的初级静叶片 71a1、 74a1 的动叶片叶片槽的底部等， 形成有用于使排气蒸汽 s1 流动的冷却孔 71a2、 74a2。因此， 排气 蒸汽 s1 的一部分到达 HP 涡轮叶栅部 71 和 IP 涡轮叶栅部 74 的各叶栅。
在本实施方式中， 与 IP 涡轮部 32 的入口部的工作蒸汽温度 ( 例如， 720℃ ) 相比， 温度足够低的 VHP 涡轮 1 的排气蒸汽 s1( 例如， 500℃ ) 的一部分遍布从冷却蒸汽供给路径 101 端， 通过转子 7 的外周面 72 与平衡环 10 之间的间隙 720， 至导入高温蒸汽的 HIP 涡轮 3 的工作蒸汽导入部附近， 因此， 与现有技术相比， 能够更为有效地冷却面向间隙 720 的平衡 环 10 以及涡轮转子 7 的 HP 平衡部 72。这是因为， VHP 涡轮 1 的排气蒸汽 s1 是在 VHP 涡轮1 做功后的蒸汽， 与现有的冷却方法中作为冷却蒸汽使用的 HP 涡轮部 31 的初级静叶片 81a 的出口的蒸汽相比， 温度足够低。
因此， 不仅能够提高平衡环 10 和涡轮转子 7 的 HP 平衡部 72 的保护效果， 而且能 够提高用于上述部件的原材料的选择自由度。特别是能够减小用于高温部位的 Ni 基合金 等构成的涡轮转子 7 的制造尺寸， 涡轮转子 7 变得易于制造。
并且， 在冷却平衡环 10 和涡轮转子 7 的 HP 平衡部 72 时， 在它们的周边， 在旋转部 或静止部采用焊接结构的情况下， 即使在预计焊接部的强度比母材部低的强度设计中， 也 能够给出富余。
并且， 排气蒸汽 s1 的一部分比冷却蒸汽供给路径 101 更向靠近 IP 涡轮部 32 的间 隙 721 流通， 能够冷却面向间隙 721 的平衡环 10 和 IP 平衡部 73。并且， 排气蒸汽 s1 的一 部分通过冷却孔 71a2、 74a2， 到达 HP 涡轮叶栅部 71 和 IP 涡轮叶栅部 74 的各叶栅， 从而能 够冷却上述叶栅部。因此， 对于上述叶栅部， 也能够充裕地进行的材料选择、 强度设计以及 材料设计等， 实际的涡轮设计变得容易。
例如， 如图 2 所示， 有时涡轮转子 7 由不同材质的材料构成的分割体成形， 并且通 过焊接部 w 焊接上述分割体。例如， 从焊接部 w 开始的 HP 涡轮部 31 侧的转子由 Ni 基合金 形成， 从焊接部 w 开始的 IP 涡轮部 32 侧的转子由 Ni 基合金或 12Cr 钢形成。此时， 通过使 冷却蒸汽供给路径 101 在焊接部 w 的附近开口， 并通过冷却蒸汽供给路径 101 供给排气蒸 汽 s1， 能够充分地冷却比其他部位强度弱的焊接部 w， 因此， 能够维持该焊接部 w 的强度。 在所述第一实施方式中， 对设置一台 VHP 涡轮 1 的例子进行了说明， 然而， 也适用 于多级状地串联连结多台 VHP 涡轮， 并具有三级以上的再热系统的蒸汽涡轮发电机。例如， 如图 3(a) 所示， 也可以串联连接地设置两台 VHP 涡轮 1a 和 1b。在该例中， 将冷却蒸汽从第 一级的 VHP 涡轮 (VHP1)1a 经由蒸汽连接管 100 供给到 HIP 涡轮 3。当然， 也可以将冷却蒸 汽从第二级的 VHP 涡轮 (VHP2)1b 经由蒸汽连接管 100 供给到 HIP 涡轮 3。
并且， 如图 3(b) 所示， 也可以串联连接地设置三台 VHP 涡轮。在该例中， 将冷却蒸 汽从第一级的 VHP 涡轮 (VHP1)1a 和第三级的 VHP 涡轮 (VHP3)1c， 分别经由蒸汽连接管 100a 或蒸汽连接管 100c 供给到 HIP 涡轮 3。
这样， 如果设置多级 VHP 涡轮， 则能够任意选择 VHP 涡轮， 将其排气蒸汽作为冷却 蒸汽， 因此， 设计自由度提高。另外， 在 VHP 涡轮具有多级时， 随着接近下游侧， 施加在涡轮 叶栅的工作蒸汽压力变低， 然而， 为了方便， 在这里， 全部表示为 VHP 涡轮。
( 第二实施方式 )
图 4 和图 5 表示适用于本发明的蒸汽涡轮发电机的第二实施方式。本实施方式 的蒸汽涡轮发电机 (VHP-HP-IP-LP 连结结构 ) 包括 ： VHP 涡轮 1 ； 将两台的 HP 涡轮部 31a0 和 31b0 以形成对流地方式配置在一个壳体内而构成的高压对流壳体一体式的蒸汽涡轮 131( 下面称为 “HP 涡轮 131” )； 将两台的 IP 涡轮部 32a 和 32b 以形成对流地方式配置在 一个壳体内而构成的中压对流壳体一体式的蒸汽涡轮 132( 下面称为 “IP 涡轮 132” )； 两台 的 LP 涡轮 4a 和 4b。
在锅炉 2 的过热器 21 中生成的 VHP 蒸汽 ( 例如， 700℃ ) 作为工作蒸汽被供给到 VHP 涡轮 1， 驱动 VHP 涡轮 1。VHP 涡轮 1 的排气蒸汽 ( 例如， 500℃ ) 利用排气蒸汽管 104 被 送回锅炉 2， 并在第一级再热器 22 中被再加热。在第一级再热器 22 中被再加热的 HP 蒸汽
( 例如， 720℃ ) 作为工作蒸汽分别被供给到 HP 涡轮 131 的两台高压涡轮部 31a0、 31b0， 并驱 动两台的高压涡轮部 31a0、 31b0。两台的 HP 涡轮部 31a0、 31b0 的排气蒸汽 ( 例如， 500℃ ) 通过排气蒸汽部 311 返回锅炉 2， 在第二级再热器 23 中被再加热。
在第二级再热器 23 中被再加热的 IP 蒸汽 ( 例如， 720℃ ) 作为工作蒸汽分别被供 给到 IP 涡轮 132 的两台的 IP 涡轮部 32a0、 32b0， 并驱动它们。两台的低压涡轮部 32a0、 32b0 的排气蒸汽经由排气蒸汽管 321 作为工作蒸汽被分别供给到低压涡轮 4a 和 4b， 并驱 动它们。
在本实施方式中， VHP 涡轮 1 的排气蒸汽 ( 例如， 500℃ ) 的一部分经由蒸汽连接管 100 作为冷却蒸汽被供给到 HP 涡轮 131， 对 HP 涡轮 131 的高温蒸汽 ( 工作蒸汽 ) 导入部附 近进行冷却。并且， HP 涡轮 131 的排气蒸汽 ( 例如， 500℃ ) 的一部分经由蒸汽连接管 110 作为冷却蒸汽被供给到 IP 涡轮 132， 对 IP 涡轮 132 的工作蒸汽导入部附近进行冷却。
图 5 表示图 4 所示的 HP 涡轮 131 的工作蒸汽导入部的结构。在图 5 所示的 HP 涡 轮 131， 在涡轮转子 7 的周围实际上左右对称地设置有 HP 涡轮叶栅部 71a0、 71b0。在 HP 涡 轮叶栅部 71a0、 71b0 以规定间隔形成有 HP 动叶片部 71a、 71b， 在该 HP 动叶片部 71a、 71b 之 间配置有各个 HP 叶片环 8a0、 8b0 的 HP 静叶片部 8a、 8b。 在 HP 涡轮叶栅部 71a0、 71b0 的最上游部配置有 HP 初级静叶片 8a1、 8b1。在左右 的 HP 涡轮叶栅部 71a0、 71b0 之间设置有用于对两台的 HP 涡轮部 31a0、 31b0 的 HP 蒸汽导 入部之间进行密封平衡环 10。并且， 在 HP 叶片环 8a0、 8b0 以及平衡环 10 接近涡轮转子 7 的位置， 设置有用于限制蒸汽向各处泄漏的密封翼片部 11。
在本实施方式中， 在两系统的 HP 蒸汽入口部之间， 且在平衡环 10 沿径向形成有 冷却蒸汽供给路径 101。VHP 涡轮 1 的排气蒸汽 s1 作为冷却蒸汽导入该冷却蒸汽供给路径 101。该冷却蒸汽供给路径 101 到达涡轮转子 7 的外周面， 并与左右对称地配置的涡轮转子 7 与平衡环 10 之间的间隙 720a、 720b 连通。导入冷却蒸汽供给路径 101 的排气蒸汽 s1 通 过间隙 720a、 720b， 朝向两侧的 HP 涡轮叶栅部 71a0、 71b0。
另外， 在 HP 叶栅部 71a0、 71b0 和初级动叶片 71a1、 71b1 的动叶片叶片槽的底部 等， 形成有用于使冷却蒸汽 s1 流动的冷却孔 71a2、 71b2。在本实施方式中， IP 涡轮 132 的 蒸汽导入部也成为与图 5 所示的 HP 涡轮 131 相同的结构， 因此， 省略 IP 涡轮 132 的工作蒸 汽导入部的说明。
在本实施方式中， 导入冷却蒸汽供给路径 101 的 VHP 涡轮 1 的排气蒸汽 s1 的温度 比 HP 涡轮 131 的入口部的 HP 蒸汽的温度足够低， 并且， 比 HP 蒸汽经过初级静叶片 8a1、 8b1 并在间隙 720a、 720b 迂回的蒸汽的温度更低 ( 例如， 500℃ )。并且， 排气蒸汽 s1 的压力被 设定为比上述迂回蒸汽的压力大。
即， 如图 5 所示， 在将 VHP 涡轮 1 的排气蒸汽 s1 的压力、 该 HP 蒸汽的初级静叶片 8a1、 8b1 出口侧蒸汽压力 ( 上述迂回蒸汽的压力 ) 分别设定为 P1、 P0 时， 各压力满足下式 (2) 所示的关系。
P1 ≥ P0.........(2)
因此， 排气蒸汽 s1 能够与上述迂回蒸汽相逆而遍布整个间隙 720a、 720b， 因此， 与 现有技术相比， 能够更为有效地冷却平衡环 10 和该平衡环内侧的涡轮转子 7。
这是因为， VHP 涡轮 1 的排气蒸汽 s1 是在 VHP 涡轮 1 做功后的蒸汽， 与现有的冷却
方法中作为冷却蒸汽使用的 HP 涡轮部 31a0、 31b0 的初级静叶片的出口的蒸汽相比， 温度足 够低。
由于排气蒸汽 s1 从设置在 HP 叶栅部 71a0、 71b0 冷却孔 71a1、 71a2 流入 HP 叶栅 部 71a0、 71b0， 因此， 也能够冷却 HP 叶栅部 71a0、 71b0。
并且， 在本实施方式中， IP 涡轮 132 的 IP 蒸汽导入部也成为与 HP 涡轮 131 相同 的结构。与 IP 涡轮 132 的入口部的 IP 蒸汽温度相比， 温度足够低的 HP 涡轮 131 的排气蒸 汽 ( 例如， 500℃ ) 经由蒸汽连接管 110 作为冷却蒸汽被供给到 IP 涡轮 132 的 IP 蒸汽导入 部。因此， 与现有技术相比， 能够更为有效地冷却 IP 涡轮 132 的工作蒸汽导入部附近。
HP 涡轮 131 的排气蒸汽是在 HP 涡轮部 31a0、 31b0 做功后的蒸汽， 与现有技术中作 为冷却蒸汽使用的 IP 涡轮部 32a0、 32b0 的初级静叶片 ( 未图示 ) 的出口侧蒸汽相比， 温度 足够低， 因此， 能够提高冷却效果。
在本实施方式中， 由于利用与 HP 涡轮 131、 IP 涡轮 132 的各自的压力、 温度条件相 应的冷却蒸汽进行冷却， 因此， 能够分别有效地冷却 HP 涡轮 131 和 IP 涡轮 132 的高温蒸汽 导入部。
由此， 对于 HP 涡轮叶栅部 71a0、 71b0 以及 IP 涡轮叶栅部 ( 未图示 )， 能够在材料 选择、 强度设计以及材料设计等方面给出富余， 实际的涡轮设计变得容易。
在对 HP 涡轮 131、 IP 涡轮 132 的工作蒸汽导入部进行冷却时， 在该导入部及其周 边， 在旋转部或静止部采用焊接结构时， 即使在预计焊接部的强度比母材部低的强度设计 中， 也能够给出富余， 这一点也利于实际的涡轮设计。
另外， 在本实施方式中， 对分别冷却 HP 涡轮 131 和 IP 涡轮 132 的结构进行了说明， 然而， 根据需要， 也可以仅对其任意一个进行冷却。
( 第三实施方式 )
接着， 利用图 6 对适用于本发明的蒸汽涡轮发电机的第三实施方式进行说明。与 上述第一实施方式相比， 如图 6 所示， 本实施方式中， 代替 VHP 涡轮 1 的排气， 而将从 VHP 涡 轮 1 的中级抽出的蒸汽作为冷却蒸汽导入 HIP 涡轮 3。即， 蒸汽连接管 120 与 VHP 涡轮 1 的 中级的叶栅部以及 HIP 涡轮 3 的冷却蒸汽供给路径 101 连接。通过该蒸汽连接管 120， 将 VHP 涡轮 1 的中级叶栅部的抽气蒸汽作为冷却蒸汽供给到 HIP 涡轮 3 的冷却蒸汽供给路径 101。
由于其他结构与上述第一实施方式相同， 因此， 省略相同部分的说明。 当上述抽气 蒸汽的压力为 P1 时， 该抽气蒸汽的压力 P1 满足上述式子 (1)。
在本实施方式中， 与迂回地经过 HP 涡轮部 31 的初级静叶片 8a1 或 IP 涡轮部 32 的初级静叶片 9a1 的蒸汽相比， 作为冷却蒸汽从 VHP 涡轮 1 供给到 HIP 涡轮 3 的抽气蒸汽 温度更低， 且压力大于等于该迂回蒸汽的压力。因此， 能够使该抽气蒸汽遍布平衡环 10 与 涡轮转子 7 的 HP 平衡部 72 之间的整个间隙 720、 721， 能够提高平衡环 10 和 HP 平衡部 72 的冷却效果。
并且， 通过将 VHP 涡轮 1 的叶栅级之间的适当部位选择为抽气部位， 能够向对 HIP 涡轮 3 的工作蒸汽导入部的冷却供给最适当的压力或温度的冷却蒸汽， 能够将 HIP 涡轮 3 的工作蒸汽导入部冷却至最适当的温度。
( 第四实施方式 )图 7 表示将本发明应用在蒸汽涡轮发电机的第四实施方式。本实施方式与上述第 一实施方式不同之处在于， 不是使用 VHP 涡轮 1 的排气蒸汽的一部分作为 HIP 涡轮 3 的冷 却蒸汽， 而是从锅炉 2 的过热器 21 抽出 VHP 蒸汽生成过程中的蒸汽的一部分， 将该抽气蒸 汽作为冷却蒸汽经由蒸汽连接管 130 供给到 HIP 涡轮 3 的工作蒸汽导入部。其他结构与第 一实施方式相同， 因此， 省略相同部分的说明。
在本实施方式中， 在锅炉 2 中， 将从泵 6 供给到锅炉 2 的最终供水过热至 VHP 蒸汽 时， 将在过热器 21 的中途分流的一部分锅炉抽气蒸汽作为冷却蒸汽供给到 HIP 涡轮 3。该 锅炉抽气蒸汽在过热器 21 内具有充分的过热度， 且其具有比 HIP 涡轮 3 的 HP 涡轮部 31、 IP 涡轮部 32 的入口蒸汽温度足够低的温度 ( 例如， 600℃ )。即， 从温度还没有完全升高的部 位抽气， 将其供给到 HIP 涡轮 3。将该锅炉抽气蒸汽的压力设定为 P1 时， 该抽气蒸汽的压力 P1 满足上述式子 (1)。
在本实施方式中， 使用来自过热器 21 的锅炉抽气蒸汽作为 HIP 涡轮 3 的 HP 涡轮 部 31 或 IP 涡轮部 32 的高温蒸汽导入部的冷却蒸汽， 该抽气蒸汽的温度比 HP 涡轮部 31 的 入口部的工作蒸汽温度足够低， 因此， 与现有技术相比， 能够进一步提高 HIP 涡轮 3 的高温 蒸汽导入部附近的冷却效果。这是因为， 来自过热器 21 的抽气蒸汽是在锅炉 2 加热到规定 温度前的蒸汽， 与现有的冷却方法中作为冷却蒸汽使用的 HP 涡轮部 31 的初级静叶片 8a1 的出口的蒸汽相比温度足够低。
另外， 作为本实施方式的变形例， 代替使用过热器 21 的抽气蒸汽作为冷却蒸汽， 也可以使用锅炉 2 的第一级再热器 22 或第二级再热器 23 的抽气作为冷却蒸汽。
( 第五实施方式 )
图 8 表示将本发明应用在蒸汽涡轮发电机的第五实施方式。在图 8 中， 本实施方 式 (HP1-IP1-HP2-IP2-LP 结构 ) 包括 ： 具有过热器 21 和再热器 22 的锅炉 2、 代替 VHP 涡轮 1 的被分为两个的 HP 涡轮、 被分为两个的 IP 涡轮、 一台 LP 涡轮 4。
上述 HP 涡轮被分为高温高压侧的第一 HP 涡轮部 (HP1 涡轮部 )31a、 低温低压侧的 第二 HP 涡轮部 (HP2 涡轮部 )31b。上述 IP 涡轮被分为高温高压侧的第一 IP 涡轮部 (IP1 涡轮部 )32a 和低温低压侧的第二 IP 涡轮部 (IP2 涡轮部 )32b。HP1 涡轮部 31a 和 IP1 涡 轮部 32a 固设在单轴的涡轮转子， 构成收容在一个壳体内的高中压对流壳体一体式的蒸汽 涡轮 40( 下面称为 “HIP1 涡轮 40” )。
并且， HP2 涡轮部 31b 和 IP2 涡轮部 32b 固设在单轴的涡轮转子， 构成收容在一个 壳体内的高中压对流壳体一体式的蒸汽涡轮 42( 下面称为 “H2P2 涡轮 42” )。HIP1 涡轮 40、 H2P2 涡轮 42 以及 LP 涡轮 4 在同一轴线上与一个涡轮转子连结。
在本实施方式中， 锅炉 2 的过热器 21 中生成的 HP 蒸汽 ( 例如， 650℃ ) 经由蒸汽管 212 被导入 HP1 涡轮部 31a， 并对其进行驱动。HP1 涡轮部 31a 的排气蒸汽 ( 不足 650℃ ) 经 过 HP 连接管 44 导入 HP2 涡轮部 31b， 并对其进行驱动。HP2 涡轮部 31b 的排气蒸汽经由排 气蒸汽管 312 输送到锅炉 2 的再热器 22， 经过再热器 22 成为 IP 蒸汽 ( 例如， 650℃ )。该 IP 蒸汽经由蒸汽管 222 导入 IP1 涡轮部 32a， 并对其进行驱动。
IP1 涡轮部 32a 的排气蒸汽 ( 不足 650℃ ) 经过 IP 连接管 46 导入 IP2 涡轮部 32b， 并对其进行驱动。接着， IP2 涡轮部 32b 的排气蒸汽通过跨越管 321 并被导入 LP 涡轮 4， 并 对其进行驱动。LP 涡轮 4 的排气蒸汽在冷凝器 5 凝结， 并被锅炉供水泵 6 加压从而返回锅炉 2， 并再次成为 HP 蒸汽， 在 HIP1 涡轮 40 循环。
在锅炉 2 中， 在将从泵 6 供给的最终供水加热为 HP 蒸汽时， 将在过热器 21 的中途 分流的一部分锅炉抽气蒸汽作为冷却蒸汽供给到 HIP1 涡轮 40 的工作蒸汽导入部。该锅炉 抽气蒸汽在过热器 21 内具有充分的过热度， 且其具有比 HP1 涡轮部 31a 和 IP1 涡轮部 32a 的入口蒸汽温度足够低的温度 ( 例如， 600℃ )。 即， 该抽气蒸汽是从温度还没有完全升高的 部位抽出的， 将其供给到 HIP1 涡轮 40。 该抽气蒸汽的温度条件和压力条件与上述第四实施 方式相同。
HIP1 涡轮 40 的工作蒸汽导入部附近的结构与图 2 所示的第一实施方式中的 HIP 涡轮 3 相同， 因此， 省略该工作蒸汽导入部附近的结构的说明。
在本实施方式中， 由于使用来自过热器 21 的抽气蒸汽作为冷却蒸汽， 与来自 HP1 涡轮部 31a、 IP1 涡轮部 32a 的入口部的工作蒸汽温度相比， 该抽气蒸汽的温度足够低， 因 此， 与现有技术相比， 能够进一步提高工作蒸汽导入部的冷却效果。来自过热器 21 的抽气 蒸汽是在锅炉 2 中加热至规定温度前的蒸汽， 与现有技术中作为冷却蒸汽使用的 HP1 涡轮 部 31a 的初级静叶片的出口的蒸汽相比温度足够低。因此， 能够提高冷却效果。
( 第六实施方式 )
图 9 表 示 将 本 发 明 应 用 在 蒸 汽 涡 轮 发 电 机 的 第 六 实 施 方 式。 本 实 施 方 式 (IP1-HP-IP2-LP 结构 ) 与上述第五实施方式的不同之处在于， HP 涡轮 31 没有被分割， 而 IP 涡轮被分割为高温高压侧的 IP1 涡轮部 32a 和低温低压侧的 IP2 涡轮部 32b。并且， HP 涡 轮 31 和 IP2 涡轮部 32b 固设在单轴的涡轮转子， 构成收容在一个壳体内的高中压对流壳体 一体式的蒸汽涡轮 (HIP 涡轮 )41。IP1 涡轮部 32a、 HIP 涡轮 41、 LP 涡轮 4 在同一轴线上与 一个涡轮转子连结。
在本实施方式中， 在锅炉 2 的过热器 21 中生成的 HP 蒸汽 ( 例如， 650℃ ) 被导入 HIP 涡轮 41 的 HP 涡轮部 31， 并对其进行驱动。HP 涡轮部 31 的排气蒸汽经过锅炉 2 的再热 器 22 成为 IP 蒸汽 ( 例如， 650℃ )。IP 蒸汽被导入 IP1 涡轮部 32a， 并对其进行驱动。IP1 涡轮部 32a 的排气蒸汽 ( 例如， 不到 600℃ ) 经过 IP 连接管 46 被导入 IP2 涡轮部 32b， 并 对其进行驱动。
接着， IP2 涡轮部 32b 的排气蒸汽通过跨越管 321 并被导入 LP 涡轮 4， 并对其进行 驱动。LP 涡轮 4 的排气蒸汽在冷凝器 5 凝结， 并被锅炉供水泵 6 加压， 从而返回锅炉 2， 并 再次成为 HP 蒸汽， 在 HP 涡轮部 31 循环。并且， 在锅炉 2 将从泵 6 供给的最终供水加热为 HP 蒸汽时， 将在过热器 21 的中途分流的一部分锅炉抽气蒸汽作为冷却蒸汽供给到 HIP 涡轮 41 的工作蒸汽导入部。
该锅炉抽气蒸汽在过热器 21 内具有足够的过热度， 且温度比 HP 涡轮部 31 和 IP2 涡轮部 32b 的入口蒸汽温度更低 ( 例如， 600℃ )。 即， 该抽气蒸汽被从温度还没有完全升高 的部位抽出， 并被供给到 HIP 涡轮 41。该锅炉抽气蒸汽的温度条件和压力条件与上述第五 实施方式相同。
另外， HIP 涡轮 41 的工作蒸汽导入部的结构与图 2 所示的第一实施方式的 HIP 涡 轮 3 相同， 只是将供给的冷却蒸汽由 VHP 排气蒸汽替换为锅炉抽气蒸汽这一点不同， 因此， 省略该工作蒸汽导入部的详细说明。
在本实施方式中， 作为 HIP 涡轮 41 的工作蒸汽导入部的冷却蒸汽， 使用从锅炉 2的过热器 21 抽出并且与 HP 涡轮部 31 和 IP2 涡轮部 32b 的入口部的工作蒸汽温度相比温 度足够低的锅炉抽气蒸汽。因此， 与现有技术相比， 能够进一步提高 HIP 涡轮 41 的高温蒸 汽导入部附近的冷却效果。
( 第七实施方式 )
图 10 表示将本发明应用在蒸汽涡轮发电机的第七实施方式。 本实施方式与图 8 所 示的上述第五实施方式的不同结构在于， 作为 HIP1 涡轮 40 的冷却蒸汽， 代替过热器 21 的 抽气蒸汽， 而使用从 HP1 涡轮部 31a 的叶栅级之间抽出的抽气蒸汽。由于其他结构与第五 实施方式共通， 省略说明。
在图 10 中， HP1 涡轮部 31a 的抽气蒸汽经由蒸汽连接管 724 被供给到 HIP1 涡轮 40 的工作蒸汽导入部。
图 11 表示 HIP1 涡轮 40 的工作蒸汽导入部附近的结构。虽然基本结构与图 2 所 示的第一实施方式的工作蒸汽导入部相同， 但是， 在本实施方式中， 向该蒸汽导入部供给冷 却蒸汽， 并排出用于冷却后的冷却蒸汽的路径的结构不同。省略其他的与第一实施方式共 通的结构的说明。
在本实施方式中， 在平衡环 10 的靠近 IP1 涡轮部 32a 侧沿径向形成有冷却蒸汽供 给路径 101。该冷却蒸汽供给路径 101 在平衡环 10 与间隙 721、 723 之间形成开口。该间 隙 721、 723 形成在涡轮转子 7 的 HP 平衡部 72 与 IP 平衡部 73 之间。通过蒸汽连接管 724 对 HIP1 涡轮 40 的 HP1 涡轮部 31a 的叶栅级之间与冷却蒸汽供给路径 101 进行连接， 从该 叶栅级之间抽出的抽气气体 s1 作为冷却蒸汽经由蒸汽连接管 724 被导入冷却蒸汽供给路 径 101。
并且， 在比冷却蒸汽供给路径 101 更靠近 HP1 涡轮部 31a 的位置， 沿径向形成有冷 却蒸汽排出路径 103。该冷却蒸汽排出路径 103 在形成于涡轮转子 7 的 HP 平衡部 72 的外 周面的间隙 720 与间隙 721 之间进行开口。冷却蒸汽排出路径 103 与排气蒸汽管 44 连接， HP1 涡轮部 31a 经由排气蒸汽管 44 作为工作蒸汽被供给到 HIP2 涡轮 42 的 HP2 涡轮部 31b。
在上述结构中， HP1 涡轮部 31a 的初级静叶片 8a1 的出口 T 的蒸汽的一部分通过 HP 平衡环 72a 与涡轮转子 7 之间的间隙 720 流向 HP 涡轮叶栅部 71 的轴向相反侧。另一 方面， 从 HP1 涡轮部 31a 的叶栅级之间抽出的抽气蒸汽 s1 通过冷却蒸汽供给路径 101 到达 平衡环 10 内部的间隙 721。随后， 抽气蒸汽 s1 的一部分通过间隙 723 朝向 IP 涡轮叶栅部 74， 并且， 剩下的抽气蒸汽 s1 向相反方向的 HP1 涡轮部 31a 侧分流， 通过间隙 721 流动。
向 HP1 涡轮部 31a 侧分流的抽气蒸汽 s1 与从初级静叶片 8a1 的出口分流并通过间 隙 720 的蒸汽合流， 从冷却蒸汽排出路径 103 排出。通过冷却蒸汽排出路径 103 的排气蒸 汽 s2 通过排气蒸汽管 44 作为工作蒸汽供给到 HP2 涡轮部 31b。通过冷却蒸汽排出部 103 的排气蒸汽 s2 也具有使涡轮转子 7 负荷的推力平衡的作用。
从 HP1 涡轮部 31a 的初级静叶片 8a1 的出口 T 分流并通过间隙 720 的蒸汽不朝向 IP1 涡轮叶栅部 74， 而是全部通过冷却蒸汽排出路径 103 并被导入排气蒸汽管 44。从压力 大于等于 HP1 涡轮部 32a 的排气的部分的叶栅级之间适当地抽出 HP1 涡轮部 31a 的抽气蒸 汽 s1 即可。
即， 如图 11 所示， 在分别将供给到 HP1 涡轮部 31a 的入口部的工作蒸汽压力、 HP 抽 气蒸汽 s1 的压力、 该工作蒸汽通过初级静叶片 8a1 并到达冷却蒸汽排出路径 103 的排气蒸汽 s2 的压力、 IP1 涡轮部 32a 的初级静叶片出口的蒸汽压力设为 P0、 P1、 P2、 P3 时， 各压力满 足下式 (3) 所示的关系。
P0 ＞ P1 ≥ P2 ＞ P3.........(3)
如果抽气蒸汽 s1 的压力 P1 比排气蒸汽 s2 的压力 P2 或 IP 初级静叶片出口压力 P3 大， 则能够使抽气蒸汽 s1 与 HP 蒸汽和 IP 蒸汽的各初级静叶片 8a1、 9a1 的出口蒸汽相逆， 而遍布间隙 721、 723。抽气蒸汽 s1 是在 HP1 涡轮部 32a1 完成一部分做功后的蒸汽， 与现有 的冷却方法中作为冷却蒸汽使用的 HP1 涡轮部 31a 的初级静叶片的出口的蒸汽相比温度足 够低。因此， 能够提高平衡环 10 和位于平衡环 10 的内侧涡轮转子 7 的外周面 72 的冷却效 果。
根据本实施方式， 能够使 HP1 涡轮部 31a 的抽气蒸汽 s1 经由冷却蒸汽供给路径 101 遍布转子 7 的外周面 72 与平衡环 10 之间的间隙 721、 723， 该抽气蒸汽 s1 与 HP1 涡轮部 31a 和 IP1 涡轮部 32a 的入口部的工作蒸汽温度相比温度足够低。因此， 能够将处于 HIP1 涡轮 40 的高温状态的工作蒸汽导入部附近冷却至比现有技术更低的温度。
特别地， 在工作蒸汽导入部及其周边， 在旋转部或静止部采用焊接结构时， 即使在 预计焊接部的强度比母材部低的强度设计中， 也能够给出富余， 这一点也使实际的涡轮设 计变得容易。
即， 通过焊接等对由不同种类的材料构成的多个分割体进行接合而构成涡轮转子 7， 如图 11 所示， 该焊接部 w 位于平衡环 10 的内侧时， 焊接部 w 会暴露在高温环境中， 强度 有可能会下降。
对此， 通过使冷却蒸汽 s1 从冷却蒸汽供给路径 101 流动到间隙 721、 723， 能够提高 焊接部 w 的冷却效果。由此， 能够防止焊接部 w 的强度的下降。
另外， 在本实施方式中， 虽然使用 HP1 涡轮部 31a 的抽气蒸汽 s1 作为冷却蒸汽， 但 是， 也可以将 HP1 涡轮部 31a 的排气蒸汽作为冷却蒸汽使用。
并且， 作为上述第七实施方式的变形例， 如图 11 所示， 也可以在使 HP1 涡轮部 31a 的抽气蒸汽 s1 供给至冷却蒸汽供给路径 101 之前， 使其先通过冷却装置 728， 由此进行预 冷。作为冷却装置 728 的冷却机构， 例如， 使抽气蒸汽 s1 通过传热管， 同时使用风扇， 向该 传热管输送冷风， 风冷抽气蒸汽 s1， 该传热管由扩大了传热面积的涡形配管或带翼片配管 等构成。
或者， 也可以通过使抽气蒸汽 s1 在作为双重配管的传热管的一个流路流动， 使冷 却水在另一个流路径流动， 通过水冷来冷却抽气蒸汽 s1。 另外， 也可以将在这里回收的热量 用于其他机器。由此， 能够更为可靠地将 HIP1 涡轮 40 的工作蒸汽导入部冷却至更低温度。
如上所述， 对本发明进行了说明， 然而， 本发明不仅限于上述实施方式， 在不脱离 其主旨的范围内， 能够进行各种变形。
工业实用性
根据本发明， 在蒸汽涡轮发电设备中， 能够对对流壳体一体式的蒸汽涡轮的工作 蒸汽导入部附近进行有效地冷却， 该对流壳体一体式的蒸汽涡轮由在一个壳体内收容工作 蒸汽压力不同的多个蒸汽涡轮而构成。并且， 本发明也能够适用于包括 VHP-HIP-LP 结构或 VHP-HP-IP-LP 等结构的所有再热涡轮。