CN101852095B - 转子内扩容汽轮机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了涉及一种转子内扩容汽轮机，包括定子、转子、进汽室、排汽室、汽孔盖、密封片、端盖、主轴、轴承、螺栓和机座。定子径向由喷汽孔和排汽孔构成各道压力级，轴向多道压力级由多个汽孔盖焊接。转子活动套置于定子内壳，转子圆周表面具有多道向内延伸的凹进槽，槽内焊接径向三角型或单面的多支叶片，用转子法兰紧固转子并由轴键将其固定在主轴上，主轴两端套上轴承装配在端盖的轴承座内，用螺栓将端盖坚固在定子上。由于本发明实现了向内逐级降低线速度、构成高、低压力级平均线速度降与蒸汽的流速降同步，改变现汽轮机的反差率为本发明的顺差率，使蒸汽逐级在喷汽孔产生更有效的加速度，提高汽流动能量的冲击效率。

Description

转子内扩容汽轮机

技术领域

本发明涉及一种动力装置，特别是涉及一种把燃料热能和核能热量使水受热膨胀产生蒸汽(工作介质)的高压力冲击(推动)转子旋转做功，将热能转换为机械能的机械热动力装置——转子内扩容汽轮机。 

背景技术

叶片式汽轮机代替了活塞式蒸汽机已被广泛应用于工业生产，大容量机组用于火电厂和核电站，占全世界发电总量的85％以上是靠汽轮机将热能→机械能→电能的转换过程，主要是由成千上万支动、静叶片被逐级扩容(膨胀)——降压、减阻使蒸汽流获得加速度推动(冲击)转子叶片(动叶片)旋转——做功。其能量转换形式：燃料→热能→势能(压力)→动能(力)→做功(运转)。 

叶片式汽轮机的动、静叶片有几组到几十组装置，做功结构是高压进汽端的叶片短，转子、定子直径最小，直径逐级扩大(扩容)——膨胀至排汽端叶片最长(十几倍)，转子、定子直径最大。主体结构有进汽控制装置及进汽室、排汽室、定子、转子、动叶片、静叶片、主轴、滑动轴承、螺栓和机座等，大容量机组又分为高压、中压、低压三大主体压力汽缸结构组成同一主轴设置。 

叶片式汽轮机有背压式、抽汽式、中间再热式等，进汽温度高达 摄氏300°-540°度，压力从10-240kg/cm²的中压、高压、超高压、亚临界、超临界压力等二十多个系列，三百多个品种。机械效率都高达80-87％，有效热效率大小容量机组相差一倍达20-30％，中间再热机组热效率高达40％以上。有效热效率是鉴定汽轮机(热机)经济性的主要技术参数。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种使蒸汽逐级在喷汽孔产生更有效的加速度、更高的汽流动能量的冲击(转换)效率的转子内扩容汽轮机。 

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是： 

本发明是一种转子内扩容汽轮机，它包括机壳、定子、转子、进汽室、排汽室、密封片、气孔盖、端盖、主轴、机座；所述的进汽室和排汽室设置在定子上，定子下部接连机座，转子活动套置于定子中间采用无摩擦的动配合并设置迷宫式密封，转子由螺栓坚固于转子法兰且转子法兰用轴键静配合于主轴上，主轴两端由轴承装配于两边端盖，端盖用螺栓与定子紧固；所述的转子为360°厚筐长圆筒状，转子圆周表面上开设有多道环绕全周的凹进槽，靠近进汽室端的凹进槽的槽深最浅，靠近排汽室端的凹进槽的槽深最深，在转子圆周表面上形成逐道加深的凹进槽，构成内扩容的高、低压力级，固接于凹进槽内的叶片径向尺寸也由小变大，转子的外直径不变。 

所述的凹进槽的槽数为4-20道，凹进槽内焊接30-120片径向三角形或单面的叶片。 

所述的进汽室为一个，设置在定子中部，排汽室有两个分别设置在定子的两端，转子圆周表面上的多道凹进槽槽深由中部浅向两端逐 道加深。 

所述的定子的一端设置一个进汽室，另一端设置排汽室构成单头内扩容汽轮机，转子圆周表面上的多道凹进槽的槽深由靠近进汽室一端向靠近排汽室另一端端部逐道加深。 

所述的转子的内腔径向尺寸为中间大、两头小的橄榄形。 

所述的定子的轴向由两个180°半圆体合成而成的360°截长圆筒状体，其内壳径向均等，由4-20双孔的向心斜30°-70°喷汽孔和离心斜度35°-65°的排汽孔构成一道压力级，轴向有4-18道进、排汽孔用汽孔盖将每道高压级排汽孔与低压级喷汽孔焊接构成完整汽流通道。 

对于高、中压汽缸，在定子端上设置第二套10-20道密封片构成第二级迷宫式密封装置。 

在定子内径轴向各压力级之间设置1-4道密封片，密封片用方钢条钎进固定在定子壳，排汽端设置2-10道密封片，密封片与转子凹进槽构成动配合。 

所述的转子的外径轴向各压力级之间设置1-4道凹进的密封槽，排汽端设置2-10道凹进密封槽，转子凹进槽与定子汽封片松动配合而不产生摩擦构成轴向迷宫式密封。 

所述转子的小汽穴内的垂直有效受力面可选择平面或圆弧凹进面，与旋转前进方向向后斜2°-10°角度与向心斜度的定子喷嘴也构成汽流向心压力角度。 

采用上述方案后，本发明具有以下优点： 

(1)独特的工作原理：①高压、高速的汽流经圆周均等多方位的45°斜度直接径向同时冲击转子的推力构成径向巨大的扭矩力并合成强大的总径向推力。 

②径向向心进汽和径向离心排汽与转子旋转同一方向，减少流阻损失。 

③汽流、即径向又轴向螺旋转方式增加做功行程，即增长做功时间的三大做功优点，有效结合独特工作原理，提高做功效率。 

(2)无反差率型：叶片式汽轮机完成这项扩容(膨胀)做功过程是靠扩大转子直径(叶片加长十几倍)，形成低压级转子叶片线速度倍增与蒸汽的流速急降(容积与压力、速度成反比)形成二者之间的巨大“反差”，因转子高速旋转产生强大的离心力将蒸汽的大部分质量抛到转子叶片末端，反差率加大了蒸汽的流速追不上转子叶片的线速度，使低压级少做功或不做功。 

新发明转子内扩容汽轮机就消除这项反差率所产生的蒸汽动能量传递(转换)过程的损失，内扩容转子外直径不变(线速度不变)，向内缩小线速度(缩小直径)，构成转子旋转时平均线速度率下降，汽流又是45°向心斜度喷射转子的内小直径方位与线速度降同步，将叶片式汽轮机扩容产生的反差率改变为内扩容构成顺差率，大幅度提高蒸汽(流速)动能量的传递(转换)效率。 

(3)径向扭力推力型：叶片式汽轮机蒸汽全部是轴向流动，转子的叶片是径向旋转，从理论上说，叶片与汽流构成90°的角度差，产生的扭力和推力被分解为轴向和径向两部分，每支转子动叶片的凸出部又直接逆汽流(迎风)高速运行构成产生速度加速度的倍增，加大阻力损失(速度与阻力成正比)。 

转子内扩容汽轮机将蒸汽全部的压力形成加速度的动能量由圆周均等多方位的喷汽孔同时径向直接冲击推动转子产生扭力大和推力强，汽流的动能量传递效率高。其二，汽流进入转子小汽穴内与转子旋转同一方向(同步)，在转子内的汽流产生速度减速度使小汽穴 内的叶片没有形成多大的流速阻力损失。 

(4)高效节能型：如上所述；1)内扩容转子内的叶片逐级均缩小线速度(无反差率损失)形成向内扩容(膨胀)做功。 

2)汽流又全部径向多方位直接推动转子产生扭矩力大和推力强动能量传递效率高，并减少叶片与汽流阻力损失。 

3)汽流即径向又轴向的螺旋转式运行做功行程(冲程)长2-3倍的三大优点，提高有效功率，与叶片式汽轮机同容量机组相对提高如下：50MW以下小型机组高达30-50％。50-100MW中型机组高达20-30％，100MW以上大型机组高达15-20％。 

(5)无共震型：本发明是唯有一种叶片不产生共震的汽轮机，承受蒸汽压力和汽流冲击力的转子内垂直面的三角型叶片因深入转子内部，其底部和左右前后都与转子直接焊接成整体，金属结构的钢性得到加强，消除叶片式汽轮机的叶片在旋转时产生共震造成破坏性事故，现汽轮机为防叶片共震发生需设置多种措施加大成本。 

(6)经济型：现汽轮机叶片材质和叶片加工的精度及表面光洁度要求非常高，叶片的的成品率又很低，只有60-70％，而一台汽轮机组需要成千上万支动叶片、静叶片，造价昂贵。转子内扩容汽轮机的蒸汽在转子小汽穴内与转子同步方向，相对没有流速，转子内的叶片表面不需要光洁度，也不用特殊加工，定子的喷汽孔和排汽孔用铣床一次性加工既成，造价低廉。 

综上所述，本发明可达到向内逐级降低线速度、构成高、低压力级平均线速度降与蒸汽的流速降同步，改变现汽轮机的反差率为本发明的顺差率，向内扩容(膨胀)——降压、减阻使蒸汽逐级在喷汽孔产生更有效的加速度，提高汽流动能量的冲击(转换)效率。转子内扩容汽轮机与叶片式汽轮机同容量(同功率)相比较有体积小、重量 轻、结构简单、工作可靠、维护成本低、使用寿命长和高效节能等优点。 

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。 

附图说明

图1A、图1B为本发明转子内扩容汽轮机轴向展示工作原理图； 

图2为本发明转子内扩容汽轮机径向剖视图： 

图3为本发明内扩容汽轮机轴向剖视图； 

图4是本实用新型进、排汽孔和汽穴角度示意图。 

具体实施方式

如图2、图3所示，本发明是一种转子内扩容汽轮机包括机壳1、定子2、转子3、进汽室4、排汽室5、密封片6、气孔盖7、端盖8、主轴9、机座10、第二级迷宫式密封装置20、转子法兰401、轴键402、进汽口法兰403、排汽口法兰404。 

(1)定子2：所述的定子2的轴向由两个180°半圆体合成360°而成的截长圆筒状体。在本实施例中，所述的进汽室4为一个，设置在定子2中部，排汽室5有两个分别设置在定子2的两端。定子2下半部与机座10连体，定子2上、下两半部用螺栓坚固。 

所述的定子2内壳径向均等，由4-20双孔(8-40孔)的向心斜30°-70°喷汽孔21(参考图4所示)和离心斜度35°-65°的排汽孔22构成一道(一组)压力级，形成多双(多付)的喷汽孔21、排汽孔22构成360°圆周一圈(一道)压力级，孔数量(偶数)要以 定子2的直径和额定功率而设定。轴向有4-18道(组)进汽孔21、排汽孔22用汽孔盖7将每道(组)高压级排汽孔22与低压级喷汽孔焊接构成完整汽流通道。高、低压力级的数量(偶数)取决于进、排汽的压力参数而定。在排汽5-20kg/cm²中、高压排汽端在定子2端上设置第二套(组)10-20道密封片构成第二级迷宫式密封装置20。 

在定子2内径轴向各压力级之间(中间)设置1-4道密封片6，密封片6用方钢条钎进固定在定子2壳，排汽端设置2-10道密封片，密封片与转子3凹进槽31构成动配合。 

定子2的基本功能：克服转子3旋转时产生的力相等方向相反的反扭拒力。高压蒸汽在定子壳向心的喷汽孔21产生加速度冲击(推动)转子3旋转并将余压蒸汽导流至下一道压力较低的喷汽孔21再次加速做功，蒸汽在定子2体轴向经导汽孔盖7是波浪状流动，径向是螺旋转式的进行多次反复扩容(膨胀)不断地将压力势能转换为动能冲击推动转子3旋转，构成大部分压力势能(热量)转换做功。定子2体外部的机壳是用于隔热，减少热幅射损失和美观双重作用。(2)转子3：所述的转子3径向呈360°厚圆筒状，活动置于定子2内不接触的动配合并设置迷宫式密封。转子3圆周表面上开设有4-20道环绕全周的凹进槽31，靠近进汽室4端的中间凹进槽31的槽深最浅，靠近两端排汽室5的凹进槽31的槽深最深，即，两端逐级加深向内缩小直径至未级最深，从而在转子3圆周表面上形成逐道加深的凹进槽31，构成内扩容的高、低压力级。在凹进槽31内焊接30-120片径向三角形或单面的叶片32，底部和左右都直接与转子焊接成整体，凹进槽31内的叶片32径向尺寸也由小变大，形成多组(多圈)径向三角状小汽穴构成各圈高、低压力级，级数(偶数)与定子的压力级数相等。转子3的内腔径向尺寸为中间大、两头小的橄榄形。转子3由螺栓坚固于转子法兰且转子法兰用轴键静配合于主轴9上，主轴9两端由轴承装配于两边端盖8，端盖8用螺栓与定子2紧固。

所述的转子3的外径轴向各压力级之间(中间)设置1-4道凹进的密封槽，排汽端设置2-10道凹进密封槽，转子3凹进槽与定子2汽封片松动配合而不产生摩擦构成轴向迷宫式密封。 

所述的转子3小汽穴内垂直有效受力面，可选择平面或圆弧凹进面，与旋转前进方向向后斜2°-10°角度与向心斜度的定子2喷汽孔21也构成汽流向心压力角度。转子3外径不变，各压力级扩容是向内延伸，定子2喷汽孔21、排汽孔22截面积和导汽盒的容积是随各级压力降(膨胀)而扩大。 

转子的基本功能：转子3体内三角状小叶片32的垂直面是直接承受(吸收)定子2喷汽孔高速汽流径向冲击力(推力)，每个支小叶片32在一对喷汽孔21和排汽孔22之间的行程(冲程)，将蒸汽经喷汽孔21加速度产生的动能直接传递给转子3由主轴9输出功率。转子3小汽穴内的蒸汽经排汽孔22排出由汽孔盖7轴向流至较低压力级的喷汽孔21继续做功，转子3是接受蒸汽径向螺旋转式反复多次的压力(势能)→冲击(动能)→行程(冲程)的全过程，将热能经转子旋转做功——转换为机械能。 

此外，本发明也可设计成另一种结构，即，在定子的一端设置一个进汽室，另一端设置排汽室构成单头内扩容汽轮机，转子圆周表面上的多道凹进槽槽深由靠近进汽室一端向靠近排汽室另一端端部逐道加深。 

结构剖视图概述： 

如图2、图3所示的本发明的转子内扩容汽机的基本结构； 

1)如图2所示，本发明有九孔进汽向心喷汽孔21与进汽室4相 连通，有九孔排汽孔22被第一组九个汽孔盖7盖着焊接在定子2壳上面，将第一级做功后余压的蒸汽排出轴向导入较低压力级的第二级喷孔再次加速作做功。 

本发明有九孔进汽的向心喷汽孔21与相隔20°的九个排汽孔被九组九个汽孔盖7盖着焊接在定子2壳的上面，有离心方向的九孔排汽孔22与排汽室5相连通，将废气排出。蒸汽经进汽室九孔均等角度相隔的喷汽孔进，旋转200°行程后全部流向九孔均等角度相隔的排汽孔22的排汽室5排出。 

2)如图3所示，进汽室4设置在转子内扩容汽轮机中部(中间)，排汽室5设置在靠端盖8的两端，此设置进、排汽室其作用是解决高、低压力级压力差，提高迷宫式密封效果与减少转子内扩容直径缩小比例差50％的双重作用。 

3)如排汽是高、中压机组在定子2的两端增设第二级迷宫式密封装置20，如排汽比气压高些在末级排汽端多设几道密封片6即可，不必设置第二级密封装置20。主轴9一端为功率输出接头，另一端联接进汽控制装置。 

工作原理图概述： 

如图2所示，为本发明内扩容汽轮机径向工作(做功)原理和轴向蒸汽流程原理； 

1)如图1A、图1B所示，高温、高压蒸汽流(工作介质)在进汽室4得到得到扩压(压力-势能)，在定子2的45°斜度的向心喷汽孔21产生加速度(势能→动能)直接径向冲击转子，径向推动转子凹进槽内的三角型叶片32垂直有效受力面，完成了势能→动能→机械能的传递(转换)过程，转子3受到径向推力旋转20°到达离心40°斜度的排汽孔22含有余热能量(余压)的蒸汽排出转子完成 一次做功行程。 

如图1A、图1B所示，为进汽室4、排汽室5的1/4的径向剖视图，定子2有20°均等九进、九出十八个孔(九双对称)，转子3有6°均等六十支三角叶片32，主轴旋转1圈等于一个压力级(60×9＝540)单个叶片的垂直有效受力面吸收540次高速汽流冲击能量的总推力行程(冲程)和其它压力级的推力合成总功率输出——做功。 

转子叶片32向后仰5°角度与定子2的向心斜度45°喷汽孔(3)构成向心(向内)压制角度，使高速汽流的向心压力与转子3高速旋转产生的强大离心力形成合成推力，提高叶片垂直面的有效受力面积和受力效率增加，径向推动力包括叶片垂直面采用圆弧凹进设置。 

2)图1A、图1B所示，转子3轴向有十个压力级从中间进汽室4由高压向低压排汽室5的叶片32是逐级向内扩容缩小转子3的内直径。蒸汽由进汽室4到排汽室5，是在定子2的壳外部汽孔盖7逐级轴向波浪状流动，汽孔盖7起着轴向输送蒸汽和降速减阻扩压作用。 

图1A是蒸汽的流向圆周平面展示；高压蒸汽从进汽室4的第一压力的喷汽孔21进入，推动转子旋转20°行程，从第一压力级的排汽孔22排出，经过定子2外部第一组的第一个汽孔盖7，轴向流至第二道压力级的喷孔再次产生加速度做功，蒸汽由此轴向波浪状和径向螺旋转式流经九组九个汽孔盖7，进入第十道压力级喷汽孔21第十次(最后一次)加速度做功后，由第十级的排汽孔22排出至排汽室5的全部行程，蒸汽轴流经九个汽孔盖7和径向绕定子2旋转了200°的总做功行程。 

各压力级喷、排孔的截面积和汽盒的容积都依据压力的逐级下降(膨胀)而逐级扩大。压力级数和喷、排孔的数量与转、定子直径的大小要依据进、排汽压力参数和额定功率的大小而定。 

实际运用可变通范围概述： 

内扩容汽轮机经少量的改进和调整，可满足和代替叶片式汽轮机的各种额定功率的品种及各种进、排汽参数规格的需求，也可依据客户的要求而设计制造。 

1)如同一种进汽压力参数可以设计制造出不同额定功率与不同转速及不同排汽压力的各种转子内扩容汽轮机，只要改变转子直径的大小，定子进、排汽孔截面积的大小和孔数量的增减，内扩容率(比例)的大小和压力级数的多少等都可以改变(变通)转子内扩容汽轮机的品种、功率。 

2)依照用途需求设计各种品种内扩容汽轮机都要以势能(压力)的转换效率节能为主，达到最佳的经济效益。设计人员应综合考虑；热能量要转换为动能——做功取决于工作介质的质量+速度的传递效率及行程(时间)长短和有效受力面积等各种要素(条件)，不应盲目的追求进汽的超高温及排汽的超低气压，造成不必要的损失和浪费。 

3)大容量机组，可参照叶片式汽轮机的高压、中压、低压的三大汽缸分体结构，采取三汽缸形成高压高速、中压中速、低压低速的双轴制节能效果较佳，可提高效率35％以上。小容量机组应采用单轴制。 

4)各种规格品种的内扩容汽轮机，都要求初级(第一级)蒸汽在喷嘴的流速要高于转子的线速度的40-60％为佳。三轴制的高速轴的初级(第一级)的喷嘴流速要高于转子线速度60％，中速轴为50％、低速轴为40％较佳。双轴制的中速轴应高于55％低速轴为45％效佳。 

虽然本发明型已参照了具体的实施例进行了说明，本领域的设计人和普通技术员应该明白，只要对具体实施例的修改不偏离本发明的 主题和优点，那么应该理解为，所有这些修改都包括在以下权利要求书的本发明型的精神和范围内。 

本发明的重点就在于：转子圆周表面上形成逐道加深的凹进槽，构成内扩容的高、低压力级。 

Claims (10)

1.一种转子内扩容汽轮机，它包括机壳、定子、转子、进汽室、排汽室、密封片、气孔盖、端盖、主轴、机座；所述的进汽室和排汽室设置在定子上，定子下部接连机座，转子活动套置于定子中间采用无摩擦的动配合并设置迷宫式密封，转子由螺栓坚固于转子法兰上且转子法兰用轴键静配合于主轴上，主轴两端由轴承装配于两边端盖，端盖用螺栓与定子紧固；其特征在于：

所述的转子为360°厚筐长圆筒状，转子圆周表面上开设有多道环绕全周的凹进槽，靠近进汽室端的凹进槽的槽深最浅，靠近排汽室端的凹进槽的槽深最深，在转子圆周表面上形成逐道加深的凹进槽，构成内扩容的高、低压力级，固接于凹进槽内的叶片径向尺寸也由小变大。

2.根据权利要求1所述的转子内扩容汽轮机，其特征在于：所述的凹进槽的槽数为4-20道，凹进槽内焊接30-120片径向三角形或单面的叶片。

3.根据权利要求1所述的转子内扩容汽轮机，其特征在于：所述的进汽室为一个，设置在定子中部，排汽室有两个分别设置在定子的两端，转子圆周表面上的多道凹进槽槽深由中部浅向两端逐道加深。

4.根据权利要求1所述的转子内扩容汽轮机，其特征在于：所述的定子的一端设置一个进汽室，另一端设置排汽室构成单头内扩容汽轮机，转子圆周表面上的多道凹进槽的槽深由靠近进汽室一端向靠近排汽室另一端端部逐道加深。

5.根据权利要求3所述的转子内扩容汽轮机，其特征在于：所述的转子的内腔径向尺寸为中间大、两头小的橄榄形。

6.根据权利要求1所述的转子内扩容汽轮机，其特征在于：所述的定子的轴向由两个180°半圆体合成而成的360°截长圆筒状体，其内壳径向均等，由4-20双孔的向心斜30°-70°喷汽孔和离心斜度35°-65°的排汽孔构成一道压力级，轴向有4-18道进、排汽孔用汽孔盖将每道高压级排汽孔与低压级喷汽孔焊接构成完整汽流通道。

7.根据权利要求1所述的转子内扩容汽轮机，其特征在于：对于高、中压汽缸，在定子端上设置第二套10-20道密封片构成第二级迷宫式密封装置。

8.根据权利要求1所述的转子内扩容汽轮机，其特征在于：在定子内径轴向各压力级之间设置1-4道密封片，密封片用方钢条钎进固定在定子壳，排汽端设置2-10道密封片，密封片与转子凹进槽构成动配合。

9.根据权利要求1所述的转子内扩容汽轮机，其特征在于：所述的转子的外径轴向各压力级之间设置1-4道凹进的密封槽，排汽端设置2-10道凹进密封槽，转子凹进槽与定子汽封片松动配合而不产生摩擦构成轴向迷宫式密封。

10.根据权利要求1所述的转子内扩容汽轮机，其特征在于：所述转子的小汽穴内的垂直有效受力面为平面或圆弧凹进面，与旋转前进方向向后斜2°-10°角度与向心斜度的定子喷嘴也构成汽流向心压力角度。

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