CN101825001A

CN101825001A - 轴流式涡轮机

Info

Publication number: CN101825001A
Application number: CN201010115599A
Authority: CN
Inventors: 妹尾茂树
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2009-03-03
Filing date: 2010-02-11
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2030-02-11
Also published as: JP2010203302A; JP4848440B2; CN101825001B; US20100226768A1; US8425181B2; EP2226471A3; EP2226471A2; EP2226471B1

Abstract

本发明涉及轴流式涡轮机。课题是提供能抑制抽气口下游的气流的紊流并抑制涡轮机效率的降低，且能缩小设计抽气量的限制的轴流式涡轮机。具有设置于涡轮叶片室(12)的外侧的抽气室(15)、及形成于在工作流体的流动方向接连设置多个的外周侧隔板(8)间并连通涡轮叶片室和抽气室的抽气口(16)，构成抽气室的下游侧壁面的外周侧隔板具有与抽气口上游侧动叶(2)的外周端的下游侧前端相比更突出于涡轮机半径方向内周侧，且构成抽气口的下游侧壁面的突端部(21)，该突端部构成将工作流体的一部分引导到抽气室的外周侧隔板上游侧壁面(18)；以及将工作流体的其余部分引导到抽气口下游侧的动叶(11)的外周侧隔板内周侧壁面(19)。

Description

轴流式涡轮机

技术领域

本发明涉及蒸汽轮机及燃气轮机等轴流式涡轮机，尤其涉及具有对工作流体的一部分进行抽气的抽气构造的轴流式涡轮机。

背景技术

在涡轮机轴向具有多个由涡轮机静叶及动叶构成的级的轴流式涡轮机中，存在以下的情况：在级间对工作流体进行抽气而用作热源，或者用作驱动其它旋转机械用的工作流体。

例如，在蒸汽轮机的场合，在级间对蒸汽进行抽气并将其引导到给水加热器或脱气器，使从蒸汽轮机的出口抽出的蒸汽与作为由冷凝器冷凝的液相的水进行热交换，通过在返回锅炉或核反应堆等加热器之前提高温度而能提高发电效率。

另外，在驱动泵等产业用的旋转机械及发电机的同时，还在以提供作为热源的高温高压蒸汽为目的的热动力兼供型或热电兼供型的蒸汽轮机中，需要从级间对作为热源的蒸汽进行抽气。

一般来说，这种具有抽气的轴流式涡轮机的抽气在蒸汽流动的涡轮叶片室的外侧设有沿涡轮叶片室的周向延伸的圆环状的抽气室，用沿周向在涡轮叶片室的外周壁开口的狭缝状的抽气口使该抽气室与蒸汽流动的涡轮叶片室连通，通过将涡轮叶片室内的工作流体的一部分经过该抽气口抽取到抽气室，并利用与抽气室连接的抽气管送到规定的场所来进行(参照专利文献1-日本特开平2-241904号公报)。

然而，在将抽气室和抽气口设置在涡轮叶片室的外周壁侧的场合，作为抽气气流主要抽取的是通过与抽气口的工作流体流动方向上游侧(以下，简称为上游侧)邻接设置的动叶流出的工作流体流动的外周侧部分。因此，与抽气口的上游侧的动叶的外周侧相比，进入了内周侧的来自叶片高度位置的气流也流入由抽气口的工作流体流动方向下游侧(以下，简称为下游侧)的静叶和动叶构成的级的外周侧。该气流在从抽气口上游侧的动叶通过抽气口下游侧的静叶流入抽气口下游侧的动叶的期间，由于流向朝向涡轮机半径方向外周侧(以下，简称为外周侧)改变，因而工作流体的流动有可能产生不能充分地供给抽气口下游侧的静叶的外周侧入口部的部分。由于不能充分地供给气流，则该部分的气流有可能变得不稳定而产生涡流，因此本来用于产生旋转力的动能出现热散发，有可能导致涡轮机的效率降低。

另外，为了改善涡轮机的效率，虽然采用增多涡轮叶片室内的级数，并且减小涡轮叶片室的工作流体的流道的平均半径位置的小直径多级构造是有效的这点已被公知，但若减小涡轮机旋转轴的直径而加长轴的长度，则轴的刚性降低而轴的振动变大，则有可能引起静止部分和旋转部分接触等问题。另一方面，在有限的轴跨度中若增多级数，则由于抽气口和抽气室狭窄，因而有可能不能得到足够的抽气流量。这样，具有抽气的多级轴流式涡轮机与没有抽气的轴流式涡轮机比较，为了设置与抽气流量平衡的抽气口，则需要减少级数而有可能使涡轮机的效率降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种在具有抽气构造的轴流式涡轮机中，能抑制因抽气产生的涡轮机的效率降低，并且利用有限的轴跨度设置更多的涡轮机级以提高涡轮机效率的轴流式涡轮机。

为了实现上述目的，本发明的第一方案的轴流式涡轮机，具有：工作流体流动的涡轮叶片室；在上述工作流体的流动方向接连设置多个而构成上述涡轮叶片室的外周侧壁面的外周侧隔板；由设置在该隔板上的静叶和固定在转子上的动叶构成的涡轮机级；以及设置在上述涡轮叶片室的外侧的抽气室，该抽气室通过形成于在上述工作流体的流动方向接连设置多个的外周侧隔板间的抽气口而与上述涡轮叶片室连通，并利用上述外周侧隔板构成下游侧壁面，其特征是，构成上述抽气室的下游侧壁面的上述外周侧隔板，具有与邻接设置在上述抽气口上游侧的动叶的外周端的下游侧前端相比更向涡轮机半径方向内周侧突出，且构成上述抽气口的下游侧壁面的突端部，该突端部的外周侧壁面构成将上述工作流体的一部分引导到上述抽气室的外周侧隔板上游侧壁面，上述突端部的内周侧壁面构成将上述工作流体的其余部分引导到上述抽气口下游侧的动叶的外周侧隔板内周侧壁面。

本发明的第二方案的轴流式涡轮机，在第一方案的基础上，其特征是，上述外周侧隔板上游侧壁面形成为，从上述抽气口入口侧向抽气室侧扩展角增大，上述外周侧隔板内周侧壁面，其上游侧前端的扩展角比从上游侧到下游侧的平均扩展角小，其下游侧前端的扩展角与邻接设置在下游侧的动叶的外周端入口扩展角相等。

本发明的第三方案的轴流式涡轮机，在第一方案的基础上，其特征是，上述突端部前端相对上述抽气口上游侧动叶的外周端的下游侧前端的突出量和上述抽气口上游侧动叶的叶片高度之比与级流量和抽气流量之比相等。

本发明的第四方案的轴流式涡轮机，在第一方案的基础上，其特征是，上述工作流体是蒸汽。

本发明的效果如下。

根据本发明，在具有抽气构造的轴流式涡轮机中，能抑制抽气口下游的蒸汽流的紊流，能够抑制涡轮机的效率降低，并且缩小对设计抽气量的限制。

另外，还能缩小抽气构造的轴向宽度而设置更多的级数，能使涡轮机的效率提高。

附图说明

图1是表示一般的轴流式涡轮机的涡轮机级部分的基本构造的剖视图。

图2是示意地表示图1所示的轴流式涡轮机的工作流体的流动的图。

图3是表示本发明的一个实施方式的轴流式涡轮机的涡轮机级部分的主要部分构造的剖视图。

图4是图3所示的轴流式涡轮机的抽气室周围的放大图。

图5是示意地表示图3所示的本发明的轴流式涡轮机的工作流体的流动的图。

图6是示意地表示图3所示的本发明的轴流式涡轮机的动叶与静止部分之间的气流泄漏状况的图。

图7是表示本发明的一个变形例的轴流式涡轮机的涡轮机级的主要部分构造的剖视图。

图8是表示缩短了图1所示的一般的轴流式涡轮机的轴的长度时的涡轮机级的主要部分构造的剖视图。

图中：2、11-动叶，3、10-静叶，5、8-外周侧隔板，6、9-内周侧隔板，12-涡轮叶片室，15-抽气室，16-抽气口，18-外周侧隔板的上游侧壁面，19-外周侧隔板的内周侧壁面，21-突端部，51-工作流体流动方向。

具体实施方式

首先，使用图1说明一般的轴流式涡轮机的涡轮机级部分的基本构造。

如图1所示，轴流式涡轮机的涡轮机级设置在工作流体流动方向上游侧(以下，简称为“上游侧”)的高压部P0和工作流体流动方向下游侧(以下，简称为“下游侧”)的低压部P1之间。涡轮机级包括静叶3和动叶2；静叶3固定设置于在涡轮机壳体4的内周侧固定设置的外周侧隔板5和内周侧隔板6之间；动叶2设置在绕涡轮机中心轴50旋转的涡轮机转子1上。在涡轮机级由多级构成的轴流式涡轮机的场合，这种级构造在工作流体流动方向重复多次地设置。在各级中，动叶与静叶的下游侧相对。

在动叶2的涡轮机径向外周侧的前端(以下，简称为“外周端”)设有围带7。如图1所示，轴流式涡轮机在涡轮机转子1及内周侧隔板6、9的涡轮机径向外周侧(以下，简称为“外周侧”)壁面6a、9a与外周侧隔板5、8及围带7的涡轮机径向内周侧(以下，简称为“内周侧”)壁面5b、8b、7b之间形成有工作流体流动的圆筒状或部分圆锥状的涡轮叶片室12。

如图1所示，外周侧隔板5、8的内周侧壁面5b、8b、及围带7的内周侧壁面7b成列地构成涡轮叶片室12的外周侧壁面12b，在涡轮叶片室12的外侧、即在外周侧壁面12b和涡轮机壳体4之间以覆盖涡轮叶片室12的方式形成有沿涡轮机周向(以下，简称为“周向”)的环状的抽气室15。抽气配管(未图示)与抽气室15的一部分相连。

如图1所示，抽气室15形成在外周侧隔板5、8之间。另外，在外周侧隔板5的下游侧端部13和外周侧隔板8的上游侧端部14之间沿周向设有在工作流体流动方向连续设置的间隙，该间隙构成连通抽气室15和涡轮叶片室12的抽气口16。

图2是示意地表示图1所示的轴流式涡轮机的工作流体的流动的图。箭头51表示工作流体的流动方向。

如图2所示，在涡轮叶片室12的外周侧壁面设有抽气口16的情况下，在邻接设置于抽气口16上游侧的动叶2的外周端附近流出的工作流体主要作为抽气流(1)，并通过抽气口16抽取到抽气室15。因此，在抽气口16下游侧的涡轮叶片室12外周侧壁面附近流入与动叶2的抽气流(1)相比通过了内周侧的叶片高度位置的工作流体(3)。该工作流体(3)在从动叶2通过下一级的静叶10流入动叶11期间，由于朝向外周侧改变流向，因而尤其是在抽气流量多的场合，有可能在动叶10的外周侧入口部产生气流不能充分地供给的部分(2)。就(2)的部分而言，可以认为，由于不能充分地供给工作流体，一般来说工作流体的流动变得不稳定，有产生涡流的可能性。因此，有可能使本来用于产生旋转力的动能而进行热散发，导致涡轮机的效率降低。

根据以上所述，下面说明本发明的轴流式涡轮机的实施方式。

图3是表示本实施方式的轴流式涡轮机的涡轮机级部分的主要部分构造的剖视图。图4是抽气室周围的放大图。图5是示意地表示图3所示的本发明的轴流式涡轮机的工作流体的流动的图。在这些图中，对相当于与先前的各图相同部分的部位标上相同的标号而省略说明。

如图4(a)所示，构成抽气室15的下游侧壁面的外周侧隔板8具有与抽气室15相对的上游侧壁面18，以及与工作流体主流相对并构成涡轮叶片室的外周侧壁面12b的内周侧壁面19。内周侧壁面19形成为，其上游侧前端X的距涡轮机中心轴50的距离即半径比与抽气口16的上游侧邻接设置的动叶2外周端的下游侧前端Y的距涡轮机中心轴50的距离即半径位置更小。另外，如图5所示，上游侧壁面18为了将抽气气流(4)顺利地引导到抽气室15而在外周侧且上游侧具有凹下的形状。此外，上游侧壁面18和内周侧壁面19形成通过端面20连接的面，端面20和与端面20连接的上游侧壁面18和内周侧壁面19的前端部形成构成抽气口16的下游侧壁面的突端部21。

突端部21的内周侧前端形成为比外周侧前端向上游侧突出，从而减轻工作流体的分支部位的阻力。在这里，所谓突端部21的内周侧前端是指内周侧壁面19的上游侧前端X。另外，所谓突端部21的外周侧前端是指上游侧壁面18的上游侧前端Z。即，突端部21比与上述抽气口上游侧邻接设置的动叶的外周端的下游侧前端向涡轮机半径方向内周侧突出。

下面，对外周侧隔板8的上游侧壁面18及内周侧壁面19的断面形状进一步详细说明。在这里，为便于后文的说明，将与工作流体相对的壁面同涡轮机中心轴50形成的角度定义为“扩展角”。

如图4(b)所示，在外周侧隔板8的内周侧壁面19，内周侧壁面19的上游侧前端X的扩展角β1的构成为，虽然为使扩展角β1与从上游侧流过来的工作流体的流线吻合而通过进行数值流体分析及实验等来决定，但与从内周侧壁面19的上游侧前端到下游侧前端的平均扩展角相比一般都较小。另一方面，内周侧壁面19的下游侧前端的扩展角β2，为了将气流送到与其下游侧邻接设置的动叶11而与动叶11的外周端的入口扩展角β3一致。这样，内周侧壁面19的形状就能由两端的坐标及角度来决定并可以使用例如三次函数等来定义。

此外，所谓“内周侧壁面19的扩展角”是指与内周侧壁面19相切的涡轮机轴向切线(图4(b)中以虚线表示)和涡轮机中心轴形成的角度。另外，所谓“动叶11的外周端的入口扩展角”是指动叶11的外周端的上游侧前端部对涡轮机中心轴50的倾斜角度。

另一方面，在外周侧隔板8的上游侧壁面18，为了将一边向轴向扩展一边流过来的工作流体的流动向着涡轮机半径方向外周方向改变，与内周侧壁面19同样，为使上游侧壁面18的上游侧前端Z的扩展角β4与从上游流过来的流线吻合而通过进行数值流体分析及实验等来决定。另外，上游侧壁面18为使朝向抽气室的工作流体的流动方向逐渐变到涡轮机半径方向外周方向，以使扩展角从上游侧向下游侧逐渐变大的方式来形成。

并且，所谓“上游侧壁面18的扩展角”是指与上游侧壁面18相切的涡轮机轴向切线(图4(b)中以虚线表示)和涡轮机中心轴形成的角度。

图4(a)所示的、内周侧壁面19的上游侧前端X(突端部21的内周侧前端)从上游侧动叶2的外周端的下游侧前端Y向涡轮机径向内周侧突出的长度d相对上游侧动叶2的叶片高度BH的比例d/BH，抽气流量GEX相对于流经涡轮机由所要求的规格决定的由静叶10和动叶11构成的抽气口下游侧级的级流量G的比例GEX/G，以及下游侧级入口高度NH的部分圆环面积A1和进入抽气部的d的部分的圆环面积A2的环带面积比A2/A1都几乎以相同的方法决定。

这样，通过以与各个所要求的规格对应的环带面积比进行设计，就可以避免图2的(2)所示的涡流，就可以与设计规格的抽气量无关地消除由抽气带来的对流场的影响。因此，尤其是对抽气流量相对级流量的比例大者本发明的效果更加显著，相对于现有的结构能较大改善涡轮机的性能。

图5表示的是本发明的轴流式涡轮机的流场的示意图。由于外周侧隔板8的外周侧凹部(上游侧壁面18)成为导流部，抽气气流(4)被顺利地引导到抽气室15，向下一级的气流(5)也被内周侧壁面19顺利地引导到外周侧隔板8的内周侧，因而，可以减小由图3所示的现有结构产生的涡流(2)带来的损失，能够提高涡轮机的效率。另外，可以利用外周侧隔板8从外周部有选择的抽取抽气气流。

另外，如图6所示，涡轮叶片室12的外周侧的气流包含从动叶外周端和静止部分(外周侧隔板)之间泄漏出的气流(6)与动叶间流过来的工作流体的主流因干涉而形成的紊流较多的气流(7)。该紊流较多的气流流入到下游级而成为效率降低的主要原因。本发明的涡轮机结构中，由于能够对包含该紊流较多的气流(7)的外周侧的气流进行选择性地抽气，因而可以防止下游级的效率降低。再有，泄漏出的气流(6)因不在动叶2工作而热函较大，在将抽气气流作为热源利用的情况下是有利的。

另外，在蒸汽轮机的低压级的场合，气流为包含液相的水的气液两相流。若作为水膜附着在叶片表面上的液相形成粗大的水滴放出，则有可能引起下游级的腐蚀，或者成为损失的主要原因而使涡轮机效率降低。动叶2的叶片表面上的水膜由于动叶旋转的离心力而偏移到外周侧，能够从外周侧选择性地对气流进行抽气的本发明的涡轮机构造可以从蒸汽轮机气流中除去液相的水，由于减小了腐蚀而提高可靠性，并能因降低了湿损失而提高性能。

并且，为了实现性能的提高，虽然增加涡轮机级数是有效的，但若加长转子的跨度则转子的刚性降低，由于有可能产生振动增大等问题，因而在转子的跨度所允许的范围内需要增加涡轮机级数。即，必须减小级的轴向宽度。

图7表示的是减小了级间距离的轴流式涡轮机采用了本发明的场合的气流的示意图。

如图8所示，在抽气口16开口于涡轮机轴向的现有构造中，在级间距离减小了的情况下，就不能将抽气口16的大小设置得足够大。另一方面，本发明的构造则能将抽气口16开口于涡轮机径向而在级间无需抽气口16用的空间。由于能够利用静叶10的外周侧隔板8的空间将抽气气流引导到抽气室15，因而可以在相同的轴跨度上设置更多的级，可以减小每一个级的热函的落差，由于叶片长度还能通过实现小直径化而加长，因而能够降低泄漏气流引起的损失以及由侧壁边界层的影响带来的二次气流损失，从而可以提高涡轮机的效率。

Claims

1.一种轴流式涡轮机，具有：工作流体流动的涡轮叶片室；在上述工作流体的流动方向接连设置多个而构成上述涡轮叶片室的外周侧壁面的外周侧隔板；由设置在该隔板上的静叶和固定在转子上的动叶构成的涡轮机级；以及设置在上述涡轮叶片室的外侧的抽气室，该抽气室通过形成于在上述工作流体的流动方向接连设置多个的外周侧隔板间的抽气口而与上述涡轮叶片室连通，并利用上述外周侧隔板构成下游侧壁面，其特征在于，

构成上述抽气室的下游侧壁面的上述外周侧隔板，具有与邻接设置在上述抽气口上游侧的动叶的外周端的下游侧前端相比更向涡轮机半径方向内周侧突出，且构成上述抽气口的下游侧壁面的突端部，

该突端部的外周侧壁面构成将上述工作流体的一部分引导到上述抽气室的外周侧隔板上游侧壁面，上述突端部的内周侧壁面构成将上述工作流体的其余部分引导到上述抽气口下游侧的动叶的外周侧隔板内周侧壁面。

2.根据权利要求1所述的轴流式涡轮机，其特征在于，

上述外周侧隔板上游侧壁面形成为，从上述抽气口入口侧向抽气室侧扩展角增大，

上述外周侧隔板内周侧壁面，其上游侧前端的扩展角比从上游侧到下游侧的平均扩展角小，其下游侧前端的扩展角与邻接设置在下游侧的动叶的外周端入口扩展角相等。

3.根据权利要求1所述的轴流式涡轮机，其特征在于，

上述突端部前端相对上述抽气口上游侧动叶的外周端的下游侧前端的突出量和上述抽气口上游侧动叶的叶片高度之比与级流量和抽气流量之比相等。

4.根据权利要求1所述的轴流式涡轮机，其特征在于，

上述工作流体是蒸汽。