CN101476493B - 蒸汽涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蒸汽涡轮机，具有围绕机器轴线(17)旋转的转子(11)和同心地相距地环绕转子(11)的定子(12)，在它们之间形成了在轴向上由蒸汽(20)通流的环形通道(13)，并且在环形通道内分多级设置了多个固定在转子(11)上的转子叶片(14、15)和固定的导向叶片(16)，其中，最后一级的导向叶片(16)具有带有在相对叶片高度(h/h_m)上符号变换的后掠角(α₁、α₂、α₃)的后掠。在该蒸汽涡轮机中，不改变二次流动而改进叶片设计的目的由此实现，即后掠利用后掠角(α₁、α₂、α₃)S形地构成，该后掠角既与定子(12)相邻接也与转子(11)相邻接为正，而在导向叶片(16)的中间区域内则为负。

Description

蒸汽涡轮机

技术领域

本发明涉及旋转热工机械领域，特别是蒸汽涡轮机，其导向叶片具有在叶片高度上符号变换的后掠角。

背景技术

在非常大的蒸汽涡轮机的最后一级的导向叶片上在出口侧主要存在超音速流。通常通过导向叶片的迎角引起的对流动角的影响在这里很大程度上通过超声波膨胀和振动前沿确定。此外设计者面对这种情况，即分级反作用度不希望地承受径向强变化。存在影响这些参数的不同方案，例如通过使用在叶片高度上扭转叶片型面(英语“twist”)、叶身在切向或者周向上倾斜(英语“lean”)和使用特殊的超声波翼型。此外，叶身可以具有后掠或者在子午线平面上的倾斜(英语“sweep”)以影响流动。最后所称的倾斜典型地通过子午线平面中的后掠角(“sweep angle”)提供，该后掠角通过相对于转子轴线的半径和与处于子午线平面中的叶身相切的切线包围，其中，重要的是角的符号从半径测量。然而在此方面其他自身的相关的流动参数同样改变。此外，在大型蒸汽涡轮机中，轮毂和外壳半径的巨大变化导致特殊的流动结构，它们很难采用叶片的局部倾斜和定位来控制，以达到径向流动角和反作用度分布方面的设定目标。

在US-A-5,906,474中提出，为提高蒸汽涡轮机最后一级导向叶片中的效率，在叶身与基面之间的过渡区域上设置倒圆的棱角。

相反，在WO-A1-2005/005784中提出，涡轮机叶片(无论是导向叶片还是转子叶片)设有后掠，其在转子侧和定子侧的叶片边缘区域为负而在其之间的中间区域内变为正。

发明内容

本发明的目的在于，对开头所述类型的蒸汽涡轮机进行如下优化，使分级反作用度得到改善。

该目的通过权利要求1的特征的整体得以实现。对本发明重要的是，最后一级导向叶片的后掠S形地构成，方法是后掠角既在外壳侧(也就是与定子相邻接)也在轮毂侧(也就是与转子相邻接)为正，而在导向叶片的中间高度上则为负。在此方面，正的后掠角通过从相对于转子轴线的半径到与子午线平面中的导向叶片相切的切线沿顺时针的测量方向确定，负的后掠角相应地通过从相对于转子轴线的半径到与导向叶片相切的切线沿逆时针的测量方向确定。

依据本发明的蒸汽涡轮机最后一级导向叶片的S形后掠特别适用于有效控制叶片之间的压力和剩余的动能。主要的空气动力学作用在于，通过改变到转子叶片的入流角，降低轮毂上的分级反作用和相反加大叶片尖上的分级反作用。最后一级后续转子叶片出口处的输出功和压力分布在此方面跟随同一模式。动能有利地得到降低。通过本发明在不增加二次流动的情况下达到改进叶片设计的目的。

本发明的设计方案的特征在于，最后一级的导向叶片具有前缘、后缘和重心线，其中，无论是前缘、后缘还是重心线各自均具有依据本发明S形的后掠。特别是后掠角的依赖于相对叶片高度的S形分布对于前缘、后缘和重心线在后掠角在叶片高度上从正向负和重新向正的分布的意义上相似。

本发明另一种设计方案的特征在于，最后一级的导向叶片具有前缘、后缘和重心线，其中，这三条线条中的两条具有依据本发明的S形的后掠。在这种情况下，三条线条中的两条线条的后掠的S形分布在上述意义上也相似。

本发明另一种设计方案的特征在于，最后一级的导向叶片具有前缘、后缘和重心线，其中，要么沿后缘、前缘，要么重心线具有依据本发明S形的后掠。

在本发明的另一种设计方案中，导向叶片的后缘分别具有依据本发明S形的后掠。这种设计方案的特别优点是，与分级反作用相关的作用最大。

在本发明的一种设计方案中，后掠角在轮毂侧也就是与转子相邻接以及在外壳侧也就是与定子相邻接处于10°与25°之间的范围内，并且在中间高度上处于0°与-15°之间的范围内。此外，后掠角优选在30％-80％的相对叶片高度的范围内为负。

在本发明的一种设计方案中，后掠角在轮毂侧也就是与转子相邻接以及在外壳侧也就是与定子相邻接处于13°与20°之间的范围内，并且在中间高度上处于-6°与-10°之间的范围内。此外，后掠角优选在30％-80％的相对叶片高度的范围内为负。

为同时影响流动参数，本发明的设计方案除了最后一级导向叶片中的后掠还在周向上也就是在与蒸汽涡轮机转子相切的方向上具有倾斜度(“lean”)，其中，特别是倾斜角在叶片高度上变化，例如从轮毂向外壳下降，确切地说具有负增长的倾斜角。在此方面，在蒸汽通过涡轮机流动的方向上观察，正的倾斜角通过从相对于转子轴线的半径顺时针到与导向叶片相切的切线的角度定义，并且负的倾斜角相应地通过从相对于转子轴线的半径逆时针到与导向叶片相切的切线的角度定义。

在本发明的另一种设计方案中，后缘线的倾斜角在切向上或者在周向上并且关于相对于涡轮机转子轴线的半径在轮毂侧在+5°与-5°之间变化并且在外壳侧在-10°与+5°之间变化。

在本发明的另一种设计方案中，导向叶片附加地具有相对于转子轴线径向变化的节距比，其中，该节距比随着叶片高度的增加而提高。节距比等于沿着圆周线在叶栅环中的相邻导向叶片之间的节距或者距离与导向叶片的弦的长度之间的比率。特别是节距比在轮毂上的叶片高度为零时具有处于0.4到0.5的范围内的数值并在叶片根部处外壳中的最大叶片高度上具有处于0.45到0.65的范围内的数值。

附图说明

下面借助实施例结合附图对本发明进行详细说明。其中：

图1示出依据本发明的实施例的具有S形后掠导向叶片的进一步开发的蒸汽涡轮机的最后一级中的截取部分；

图2示出依据本发明的实施例的不同后掠角与S形后掠的导向叶片的相对高度的关系的曲线图；

图3a示出依据本发明的实施例的倾斜角δ的依赖于S形后掠的导向叶片的相对高度的区域；

图3b示出蒸汽涡轮机叶片的任意线条的倾斜角的图示；

图3c示出依据本发明在蒸汽涡轮机导向叶片后缘上倾斜角δ的依赖于叶片高度的数值；

图4a示出依据本发明的蒸汽涡轮机导向叶片的依赖于相对叶片高度的节距比；

图4b示出图4a中所使用的节距比的图示。

具体实施方式

图1示出了蒸汽涡轮机10最后一级中的截取部分，其包括可围绕涡轮机转子轴线17旋转的具有转子叶片14、15的转子11，该转子被定子12同心地相距地环绕。在依次相随的转子叶片14、15组之间设置了固定的导向叶片16组，借助其为后面的转子叶片组15使在转子11与定子12之间的环形通道13内流动的蒸汽流20转向。

依据本发明，导向叶片16具有在相对叶片高度上变换后掠角α₁、α₂、α₃的后掠(叶片高度h在轮毂上开始并涉及最大高度h_m)。角度从与涡轮机转子轴线17垂直的半径上开始并在与导向叶片16上的基准线、在这里是叶片的后缘16a相切的子午线切线上结束地测量。如果测量方向顺时针的话角度为正，而如果测量方向逆时针的话角度为负。依据本发明，与转子邻接(位置P1)的后掠角α₁和与定子邻接(位置P3)的后掠角α₃为正，其中，在导向叶片16的中间高度(位置P2)的后掠角α₂为负。由于角度在叶片高度上变换的符号，产生一种S形构成的后掠。在所示的实施例中，后掠既在后缘16a上、前缘16b上，也沿导向叶片16的重心线S形地构成。

在另一种设计方案中，如上所述，叶片的三条基准线(后缘、前缘、重心线)中的仅仅一条或者三条基准线中的两条具有这种类型的后掠。

现借助图2中前缘(β)、后缘(α)和重心线(ε)的依赖于相对叶片高度h/h_m的后掠角复述后掠的一种优选构成。后掠在所有三种情况中均为S形。特别是后掠角β或γ或α的依赖于相对叶片高度h/h_m的曲线分布对于前缘16b、后缘16a和重心线相似。与转子11相邻接(P1)和与定子12相邻接(位置P3)的后掠角α、β和ε处于13°和20°之间的范围内。在中间高度(位置P2)上，后掠角处于-6°和-10°之间的范围内。正如从图2可以看出的，后掠角在30％-80％的相对叶片高度h/h_m的范围内为负。

在另一种设计方案中，后掠角在中间高度(位置P2)中处于0°和15°之间的范围内，并且后掠角在边缘区域(位置P1和P3)中处于10°到25°之间的范围内。

导向叶片16的后掠涉及经过机器轴线或者涡轮机转子轴线17的子午线平面，而导向叶片16在周向上也就是在与机器轴线17垂直的平面中并关于相对于涡轮机转子轴线17的半径倾斜。在这种类型的在叶片高度上变化的并且符号变化的倾斜中产生一种曲率。图3a示出了本发明的实施例中倾斜角可以关于相对叶片高度运动的区域。在叶片高度为零(在轮毂上)时，倾斜角处于-5°与+5°之间的范围内，而在完整的叶片高度中则处于-10°与+5°之间的范围内。图3b示出了在不同的叶片高度上叶片任意线条或者棱边的倾斜角δ₁、δ₂、δ₃和δ₄。角度各自在通过所选择线条上的点的半径上开始并在相关点上与该线条相切的切线上结束地进行测量，其中，角度顺时针测量为正(δ₄)并且角度逆时针测量为负(δ₁、δ₂、δ₃)。图3c示出了在本发明的一种实施例中对于后缘16a依赖于相对高度h/h_m的局部倾斜角δ。

在本发明的另一实施例中，蒸汽涡轮机的导向叶片附加地具有随叶片高度变化的节距比，该节距比通过相邻的导向叶片之间的节距与弦长的比率定义。图4a示出在平面上投影的叶栅环的几个导向叶片以及相邻的导向叶片16之间的节距T以及弦长S，它们对节距比T/S是重要的。图4b示出了作为相对叶片高度h/h_m的函数的节距比T/S的数值范围。在叶片高度最小时，节距比在0.4与0.5之间的范围内运动，而在叶片高度最大时，则在0.45与0.65之间的范围内运动。

附图标记列表

10        蒸汽涡轮机

11        转子

12        定子

13        环形通道

14、15    转子叶片

16        导向叶片

16a       导向叶片的后缘

16b       导向叶片的前缘

17        机器轴线

20        蒸汽流

h         叶片高度

h_m        最大叶片高度

δ₁、δ₂、δ₃、δ₄  倾斜角

S                   弦长

P1、...、P3         位置

β                  后掠角(前缘)

ε                  后掠角(重心线)

α、α₁、α₂、α₃   后掠角(后缘)

Claims (14)

1.蒸汽涡轮机(10)，具有围绕机器轴线(17)旋转的转子(11)和同心地相距地环绕转子(11)的定子(12)，在它们之间形成在轴向上由蒸汽(20)通流的环形通道(13)，并且在环形通道内分多级地设置多个固定在转子(11)上的转子叶片(14、15)和固定的导向叶片(16)，其中，最后一级的导向叶片(16)具有带有在相对叶片高度(h/h_m)上变换的后掠角(α、α₁、α₂、α₃、β、ε)的后掠，其特征在于，所述后掠利用后掠角(α、α₁、α₂、α₃、β、ε)S形地构成，该后掠角与定子(12)相邻接以及与转子(11)相邻接时为正，而在导向叶片(16)的中间高度上则为负。

2.按权利要求1所述的蒸汽涡轮机(10)，其特征在于，最后一级的导向叶片(16)具有前缘(16b)、后缘(16a)和重心线，并且S形的后掠沿前缘(16b)、后缘(16a)和重心线分布。

3.按权利要求1所述的蒸汽涡轮机(10)，其特征在于，最后一级的导向叶片(16)具有前缘(16b)、后缘(16a)和重心线，并且S形的后掠沿三条线条即后缘、前缘和重心线中的两条分布。

4.按权利要求1所述的蒸汽涡轮机(10)，其特征在于，最后一级的导向叶片(16)具有前缘(16b)、后缘(16a)和重心线，并且S形的后掠沿后缘、前缘或者重心线分布。

5.按权利要求1所述的蒸汽涡轮机(10)，其特征在于，最后一级的导向叶片(16)具有后缘(16a)并且S形的后掠沿后缘(16a)分布。

6.按权利要求3或4所述的蒸汽涡轮机(10)，其特征在于，所述后掠角(α、α₁、α₂、α₃、β、ε)的依赖于相对叶片高度(h/h_m)的曲线分布对于前缘(16b)、后缘(16a)和重心线相似。

7.按权利要求3-5之一所述的蒸汽涡轮机(10)，其特征在于，与转子(11)相邻接和与定子(12)相邻接的后掠角(α、α₁、α₂、α₃、β、ε)处于13°与20°之间的范围内，并且在中间高度上处于-6°与-10°之间的范围内。

8.按权利要求3-5之一所述的蒸汽涡轮机(10)，其特征在于，与转子(11)相邻接和与定子(12)相邻接的后掠角(α、α₁、α₂、α₃、β、ε)处于10°与25°之间的范围内，并且在中间高度上处于0°与-15°之间的范围内。

9.按权利要求1-5之一所述的蒸汽涡轮机(10)，其特征在于，所述后掠角(α、α₁、α₂、α₃、β、ε)在30％-80％的相对叶片高度(h/h_m)的范围内为负。

10.按权利要求1-5之一所述的蒸汽涡轮机(10)，其特征在于，最后一级的导向叶片(16)在周向上关于相对于涡轮机转子轴线(17)的半径具有倾斜角(δ)。

11.按权利要求10所述的蒸汽涡轮机(10)，其特征在于，所述倾斜角(δ)在叶片高度(h)上变化。

12.按权利要求11所述的蒸汽涡轮机(10)，其特征在于，所述倾斜角在叶片高度(h)上从蒸汽涡轮机的轮毂向外壳不断减小。

13.按权利要求11所述的蒸汽涡轮机(10)，其特征在于，所述后缘(16a)的倾斜角(δ)关于相对于蒸汽涡轮机的转子轴线(17)的半径在叶片高度(h)最小时处于-5°与+5°之间的范围内并在叶片高度(h)最大时处于-10°与+5°之间的范围内。

14.按权利要求1-5之一所述的蒸汽涡轮机(10)，其特征在于，所述蒸汽涡轮机(10)最后一级导向叶片(16)的节距比(T/S)在叶片高度(h)最小时处于0.4与0.5之间的范围内并在叶片高度(h)最大时处于0.45与0.65之间的范围内；其中所述节距比等于沿着圆周线在叶栅环中的相邻导向叶片之间的距离与导向叶片的弦的长度之间的比率。

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