CN103375195B - 用于涡轮间隙流减少的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于涡轮间隙流减少的方法和设备。更具体而言，本发明涉及一种用于减少在动叶和涡轮的封罩之间的通道中的间隙流的方法。该方法包括将通道中的单个流分成第一流和第二流以及将第二流朝动叶径向向内导向，以使得第二流与第一流再结合以增加到动叶上的总流量。涡轮包括：内壳体；可旋转轴，其轴向定位在内壳体内；多个动叶，其连接到轴，第一齿从内壳体径向向内伸出且连接到内壳体，其中，第一齿和至少一个动叶形成在两者间的第一流体通道，并且第二齿连接到且平行于第一齿以形成径向流体通道。轴向流体通道与径向流体通道连通以形成第二流体通道。

Description

用于涡轮间隙流减少的方法和设备
技术领域
本公开的实施例涉及与蒸汽涡轮有关的应用，并且更具体地，涉及用于降低边缘(margin)级动叶间隙流的设备。
背景技术
蒸汽涡轮技术中的进步已产生效率和发电能力上的改善。然而，在封闭系统中，当蒸汽流在动叶顶端(tip)与涡轮封罩的内壁之间渗过动叶时，在边缘级动叶处常常存在损失。减小动叶的物理间隙仅仅在一定程度上起作用，因为必须遵守某些最小物理公差以允许动叶自由旋转。因此，需要在不减小物理间隙的情况下减小有效间隙以减少蒸汽流的损失。
发明内容
下面给出描述本公开的某些方面或实施例的简化的内容提要。该内容提要并不是对本公开的详尽概述。实际上，可以获得除内容提要中描述的那些之外的本公开的附加的或备选的实施例。
本公开涉及用于减少在动叶和涡轮的封罩之间的通道中的间隙流的方法，该方法包括以下步骤：将通道中的单个流分成第一流和第二流；以及使第二流朝动叶径向向内导向，以使得第二流与第一流以降低间隙流且从而增加通过动叶的总流量的方式再结合。该方法还可包括将第二流的方向从大致平行于第一流变为大致垂直于第一流。第二流可通过形成在第一齿和第二齿之间的流动通道而径向向内导向，第二齿定位成平行于第一齿，并且其中，第一齿和第二齿由肋连接到彼此。流动通道可形成90度角或成指向第一流的引入方向的一角度。另外，第二流可从通过在位于动叶上游的喷嘴的顶端和涡轮的封罩之间的间隙的流捕获。
本公开还涉及用于减少在动叶和涡轮的封罩之间的通道中的间隙流的方法，该方法包括以下步骤：生成第一流和第二流；以及使第二流朝动叶径向向内导向，以使得第二流与第一流以降低间隙流从而增加到动叶的总流量的方式结合。第二流可从外部源引入封罩或从通过位于动叶上游的喷嘴安装件(连接器)的孔或狭槽捕获，孔或狭槽进一步连接到周边通道。第二流的方向可从大致平行于第一流变为大致垂直于第一流。
本公开还涉及具有动叶的涡轮的内壳体，其中内壳体具有内壁和外壁，内壳体包括从内壁径向向内伸出且连接到内壁的第一齿，其中第一齿和动叶形成在两者间的第一流体通道，并且第二齿连接到且平行于第一齿，其中第二齿和内壁形成在两者间的轴向流体通道，并且其中第一齿和第二齿形成在两者间的径向流体通道，并且其中轴向流体通道与径向流体通道流体连通以形成第二流体通道。第一流体通道和第二流体通道可合并，并且第一通道可形成相对于第二通道大致90度的角度。此外，内壁和定子可形成在两者间的通道，并且其中第二通道形成于定子的上游。
本公开还涉及一种涡轮，其包括：具有内壁的内壳体；轴向定位在内壳体内的可旋转轴；连接到轴的多个动叶，第一齿从内壁径向向内伸出且连接到内壁，其中第一齿和至少一个动叶形成在两者间的第一流体通道，并且第二齿连接到且平行于第一齿，其中第二齿和内壁形成在两者间的轴向流体通道，并且其中第一齿和第二齿形成在两者间的径向流体通道，并且其中轴向流体通道与径向流体通道流体连通以形成第二流体通道。涡轮还可包括在内壳体内的定子，其中轴向流体通道首先形成于定子和内壁之间。
根据一实施例，所述第二流的方向从大致平行于所述第一流的方向变为在所述第一流和所述第二流之间形成当在所述第一流和第二流的汇合处测量时大于90度的角度的方向。
根据一实施例，一种具有动叶的涡轮的内壳体，其中，所述内壳体具有内壁和外壁，包括：第一齿，其从所述内壁径向向内伸出且连接到所述内壁，其中，所述第一齿和所述动叶形成在两者间的第一流体通道；第二齿，其连接到所述第一齿，其中，所述第二齿和所述内壁形成在两者间的轴向流体通道，并且其中，所述第一齿和所述第二齿形成在两者间的径向流体通道，并且其中，所述径向流体通道与所述第一流体通道流体连通以形成第二流体通道。
根据一实施例，所述第一流体通道和所述径向流体通道在临近所述动叶处合并。
根据一实施例，所述第一通道相对于所述第二通道形成大致90度的角度。
根据一实施例，所述第一通道相对于所述第二通道形成等于或大于90度的角度。
根据一实施例，所述内壁和喷嘴形成在两者间的通道，并且其中，所述第二通道形成于所述喷嘴的上游。
根据一实施例，一种涡轮，包括：内壳体，其具有内壁；可旋转轴，其轴向定位在所述内壳体内；连接到所述轴的多个动叶，所述动叶中的每一个具有顶端；轴向流体通道，其形成于所述内壳体和所述动叶的顶端之间；径向流体通道，其与所述轴向流体通道流体连通，其中，所述径向流体通道相对于所述轴向流体通道形成等于或大于90度的角度。
根据一实施例，所述轴向流体通道由至少一个动叶顶端和从所述内壁径向向内伸出且连接到所述内壁的第一齿限定，并且其中，第二流体通道由第二齿和所述内壁限定，并且其中，所述第一齿和所述第二齿形成在两者间的所述径向流体通道。
根据一实施例，涡轮还包括在所述内壳体内的喷嘴，其中，所述轴向流体通道首先形成于所述喷嘴和所述内壁之间。
根据一实施例，所述径向流体通道通过所述内壳体且朝所述至少一个动叶的顶端径向伸出。
附图说明
当结合附图阅读时，将更好地理解下面的描述。
图1是根据一个实施例的涡轮的示意图；
图2是根据一个实施例的涡轮的侧视图的示意图；
图3是本公开的一个实施例的图示，示出了在涡轮动叶顶端和涡轮的内壳体之间的通道；
图4是本公开的一个实施例的图示，示出了图3的通道并包括入口喷嘴；
图5是一个实施例的图示，其中蒸汽在由通过喷嘴安装件的孔或狭槽以及在喷嘴延伸部和涡轮的内壳体之间的空间所限定的通道中流动；以及
图6是本公开的一个实施例的图示，其中从外部源引入第二蒸汽流。
部件列表
10 涡轮
12 转子
14 轴
16 低压涡轮
18 轴向间隔的转子叶轮
20 动叶
22 喷嘴
24 蒸汽
26 入口
102 叶片部分
104 后缘
106 前缘
108 第一侧壁
110 第二侧壁
112 转子叶片根部
114 转子叶片顶端
116 叶片弦距离
118 径向长度
121 燕尾件
122 转子盘
124 叶片平台
125 配合狭槽
126 叶片中间连接点
155 通道
160 内壳体
162 第一齿
163 肋
164 竖直通道
166 第二通道
168 顶端覆盖件/动叶覆盖件
170 第二齿
198 喷嘴连接器
222 喷嘴
260 内壳体
263 喷嘴安装件
264 喷嘴延伸部
290 喷嘴
298 喷嘴顶端
322 喷嘴
360 内壳体
368 顶端
370 流体射流
398 喷嘴连接器。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的各种实施例，其一个或多个示例在附图中示出。每个示例以说明实施例的方式提供，而并非意图作为其限制。例如，作为一个实施例的部分示出的特征可与其它实施例合并。任何这样的修改和变型均意图包括在本文中。
图1是包括转子12的蒸汽涡轮10的透视局部剖视图，涡轮10包括轴14和低压(LP)涡轮16。LP涡轮16包括多个轴向间隔的转子叶轮18。多个动叶20机械联接到每个转子叶轮18。更具体而言，动叶20布置成围绕轴14周向延伸的行，并且围绕每个转子叶轮18轴向定位。多个固定喷嘴22围绕轴14周向延伸并且轴向定位在动叶20的相邻行之间。喷嘴22与动叶20配合以形成涡轮级并限定通过涡轮10的蒸汽流动路径的一部分。
在操作中，蒸汽24进入涡轮10的入口26并被导引通过喷嘴22。喷嘴22将蒸汽24向下游对着动叶20导向。蒸汽24穿过剩余的级，并在动叶20上施加造成转子12旋转的力。涡轮10的至少一端可轴向远离转子12延伸，并且可附连到负载或机械(未示出)，例如但不限于发电机和/或另一涡轮。因此，大型蒸汽涡轮机组实际可包括同轴地联接到相同轴14的若干涡轮。这样的单元可例如包括联接到中压涡轮的高压涡轮，中压涡轮联接到低压涡轮。应当理解，上述构型为蒸汽涡轮10的样本构型，本领域的技术人员已知的其它构型也是可能的。
图2是可用于涡轮10的涡轮动叶20的透视图。动叶20包括叶片部分102，叶片部分102包括后缘104和前缘106，其中蒸汽大体上从前缘106流到后缘104。动叶20还包括第一凹形侧壁108和第二凸形侧壁110。第一侧壁108和第二侧壁110轴向连接在后缘104和前缘106处，并且在转子叶片根部112和转子叶片顶端114之间径向延伸。叶片弦距离116是在沿叶片102的径向长度118的任何点处从后缘104到前缘106所测得的距离。在一个实施例中，径向长度118可为大约52英寸，但应当理解，径向长度118可根据预期应用而变化。根部112包括用于将动叶20沿轴14联接到转子盘122的燕尾件121以及限定通过各动叶20的流动路径的一部分的叶片平台124。在一个实施例中，燕尾件121为弯曲轴向进入燕尾件，其接合限定在转子盘122中的配合狭槽125。然而，应当理解，其它实施例是可能的，包括直轴向进入燕尾件、倾斜轴向进入燕尾件或任何其它合适类型的燕尾件构型。
根据一个实施例，第一侧壁108和第二侧壁110各包括叶片中间连接点126，其定位在叶片根部112和叶片顶端114之间且用来将相邻动叶20联接在一起。叶片中间连接可有利于改善动叶20在叶片根部112和叶片顶端114之间的中间区域中的振动响应。叶片中间连接点也可称为中跨(mid-span)或半跨(part-span)护罩。当从叶片平台124处测量时，半跨护罩可位于径向长度118的约45%至约65%处。
参照图3，示出了本公开的一个实施例。边缘级动叶间隙流通过引入径向向内流而降低，并且因此减小有效间隙尺寸。动叶20具有附连到其的顶端覆盖件168。顶端覆盖件可单独横跨单个动叶20或者可横跨多个动叶的顶部一体化。顶端覆盖件168和内壳体160的内部形成由括号描绘的通道155，蒸汽可流过通道155。齿162附连到内壳体160，齿162朝顶端覆盖件168大体上垂直地伸入通道155中。齿162可由任何合适类型的金属或其它材料制成，并且可具有与内壳体160类似的材料。第二齿170可插入通道155并由肋163连接到齿162。第二齿170可以以这样的方式放入，即，使得存在形成于第一齿162和第二齿170之间的竖直通道164。在连接第一齿162和第二齿170的过程中，肋163足以固定第二齿170，同时允许蒸汽流过竖直通道164。通过竖直通道164的蒸汽流记为S2。第二通道166在涉及第一齿162、第二齿170和肋163的结构与动叶覆盖件168的顶部之间的空间中形成于通道155内。该第二通道166还允许蒸汽流过其中，其中进入第二通道166的流记为S1。第二齿170也可安装到内壳体160。第一齿162和第二齿170仅仅为示例性的，且可存在用于落入本公开的范围内的竖直通道164的其它设计。
图4示出添加了附加特征的图3的实施例。例如，动叶20的基部示出为连接到轴14。另外，喷嘴222显示为通过喷嘴连接器198连接到内壳体160的内部。在蒸汽涡轮10的操作中，蒸汽通过喷嘴222喷入涡轮10中，这提供了使动叶20和轴14转动的能量。
在边缘级(例如，涡轮10的低压段的末级)中的动叶20的端部处，存在用于记为S1的蒸汽流的空间。该蒸汽流S1通常称为泄漏流，并且被横跨动叶的压差驱动通过在顶端覆盖件和内壳体之间的物理开放空间。通过肋163连接到齿162的第二齿170的组合产生形成第二蒸汽路径S2的径向流体射流。当S2流出竖直通道164并转向下游时，S2蒸汽由于流的转向而经受压力增加，从而挤压S1流。对S1流的这种挤压具有减少通过在动叶顶端覆盖件168和内壳体160之间的空间的总间隙流的技术效应。S2流示出为以大致垂直于S1流的角度再导向。备选地，S2流可以被再导向，使得在S1流和S2流的汇合处之间的角度大于90度，这意味着S2流可再导向为成指向第一流的引入方向的一角度。
根据图4的示例性实施例且基于使用实际流动条件的模拟实验，间隙流可减少8%。
图5示出了本公开的备选实施例。示出了由具有喷嘴顶端298的喷嘴290和动叶20组成的整个级，其中S2从喷嘴290的上游引入。S2流动通道以这样的方式形成，即，使得孔/狭槽形成为通过喷嘴安装件(或连接器)263，并且然后连接到在内壳体260和喷嘴延伸部264之间的开放空间，该开放空间朝动叶20的顶端168径向向内弯曲。由于喷嘴290上游的压力高于S1处的压力，所以S2可在其转向时进一步挤压S1，在这里其遇到S1以减少间隙流。模拟显示出相比不包含本公开的该实施例的典型设计约26%的间隙流减少。
图6示出了图4的备选实施例，其中在与蒸汽流S1合并之前，蒸汽流S2的源在涡轮10的外部。动叶20的基部显示为连接到轴14。喷嘴322显示为通过喷嘴连接器398连接到内壳体160的内部。在蒸汽涡轮10的操作中，蒸汽通过喷嘴322喷入涡轮10中，这提供了使动叶20和轴14转动的能量。
在边缘级(例如，涡轮10的低压侧的末级)中的动叶20的端部处，存在用于记为S1的蒸汽流的空间。动叶20具有顶端368，S1在顶端368上方流动。第二流体射流370由通过内壳体360的狭槽形成，内壳体360具有从其突出的延伸部，其形成第二蒸汽路径S2。外部蒸汽路径可来自任何外部源或者可以从另一出口重新引入涡轮10。通过流体射流370的蒸汽路径S2在蒸汽流S1上径向向内施加压力，并且S2压力挤压S1。这继而相比动叶20减小在顶端168处通过通道的流的比率，且从而减小间隙。
应当理解，本发明可适用于蒸汽涡轮的末级，但也可适用于其它级。还应当理解，示例间隙减小仅为示例性的，并且决不意味着是限制性的。还应当理解，通过径向向内再导向流，增加到涡轮的端级动叶上的流(其中流在内部或外部生成)的其它构型也被看作是在本公开的范围和广度内。虽然已结合蒸汽涡轮描述了本公开，但其它类型的涡轮机械、涡轮、压缩机或泵也可以被看作是在本公开的范围和广度内。
结合各个图的各种实施例，应当理解，可以使用其它类似的实施例，或者可对所描述的实施例进行修改和补充。该书面描述用这样的示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使本领域技术人员能实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可专利范围由权利要求所限定，并且可包括本领域技术人员所想到的其它示例。如果这样的其它示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这样的其它示例意图在权利要求的范围内。因此，用于涡轮间隙流减少的设备、系统和方法不应限制为任何单个实施例，而应根据所附权利要求的广度和范围来理解。

Claims (18)

1.一种用于减少在动叶和涡轮的封罩之间的通道中的间隙流的方法，包括：
生成第一流和第二流；
将所述第二流朝所述动叶径向向内导向，以使得所述第二流与所述第一流结合以减少所述间隙流并因此增加通过所述动叶的总流量；
其中所述第二流被在位于所述动叶上游的喷嘴的顶端和所述涡轮的内壳体之间的间隙捕获。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述第二流刚被在位于所述动叶上游的喷嘴的顶端和所述涡轮的内壳体之间的间隙捕获时，单个流被分离成所述第一流和所述第二流。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第二流的方向从大致平行于所述第一流变为大致垂直于所述第一流。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第二流的方向从大致平行于所述第一流的方向变为形成当在所述第一流和第二流的汇合处测量时在所述第一流和所述第二流之间大于90度的角度的方向。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第二流通过在第一齿和第二齿之间形成流动通道而径向向内导向，其中，所述第一齿和第二齿由肋连接到彼此。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述流动通道相对于所述第一流形成大于或等于90度的角度。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第二流被从通过在动叶顶端覆盖件和所述涡轮的内壳体之间的间隙的所述第一流捕获。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二流被从外部源引入所述封罩中，然后所述第二流被在位于所述动叶上游的喷嘴的顶端和所述涡轮的内壳体之间的间隙捕获。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二流的方向从大致平行于所述第一流变为大致垂直于所述第一流。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二流的方向从大致平行于所述第一流的方向变为在所述第一流和所述第二流之间形成当在所述第一流和第二流的汇合处测量时大于90度的角度的方向。
11.一种具有动叶的涡轮的内壳体，其中，所述内壳体具有内壁和外壁，所述内壳体包括：
第一齿，其从所述内壁径向向内伸出且连接到所述内壁，其中，所述第一齿和所述动叶在两者之间形成第一流体通道；
第二齿，其连接到所述第一齿，其中，所述第二齿和所述内壁在两者之间形成轴向流体通道，并且其中，所述第一齿和所述第二齿在两者之间形成径向流体通道，并且其中，所述径向流体通道与所述第一流体通道流体连通以形成第二流体通道。
12.根据权利要求11所述的内壳体，其特征在于，所述第一流体通道和所述径向流体通道在临近所述动叶处合并。
13.根据权利要求11所述的内壳体，其特征在于，所述第一流体通道相对于所述第二流体通道形成大致90度的角度。
14.根据权利要求11所述的内壳体，其特征在于，所述第一流体通道相对于所述第二流体通道形成等于或大于90度的角度。
15.根据权利要求11所述的内壳体，其特征在于，所述内壁和喷嘴在两者之间形成通道，并且其中，所述第二流体通道形成于所述喷嘴的上游。
16.一种涡轮，包括：
内壳体，其具有内壁；
可旋转轴，其轴向定位在所述内壳体内；
连接到所述轴的多个动叶，所述动叶中的每一个具有顶端；
轴向流体通道，其形成于所述内壳体和所述动叶的顶端之间；
径向流体通道，其与所述轴向流体通道流体连通，其中，所述径向流体通道相对于所述轴向流体通道形成等于或大于90度的角度；
其中所述轴向流体通道由至少一个动叶顶端和从所述内壁径向向内伸出且连接到所述内壁的第一齿限定，并且其中，第二流体通道由第二齿和所述内壁限定，并且其中，所述第一齿和所述第二齿在两者间形成所述径向流体通道。
17.根据权利要求16所述的涡轮，其特征在于，还包括在所述内壳体内的喷嘴，其中，所述轴向流体通道首先形成于所述喷嘴和所述内壁之间。
18.根据权利要求16所述的涡轮，其特征在于，所述径向流体通道通过所述内壳体且朝所述至少一个动叶的顶端径向伸出。
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