CN103527258A - 用于轴流式涡轮的冷却系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于轴流式涡轮的冷却系统及方法。描述了一种轴流式涡轮，其具有：外壳，其限定用于其中的工作流体的流动通路；转子，其与外壳同轴；多个级，每个级包括沿周向安装在外壳上的静止的成排导叶、沿周向安装在转子上的旋转的成排叶片，其中，暴露于工作流体的外壳的内面包括深度增大的一个或多个基本周向的沟槽，每个沟槽终止于具有开孔的抽取端口中。

Description

用于轴流式涡轮的冷却系统及方法
技术领域
本发明大体上涉及一种用于冷却轴流式(axial flow)涡轮(特别是低压蒸汽涡轮)的系统。更具体而言，本发明涉及一种用于冷却低压蒸汽涡轮中的末级叶片的系统，具体是在此类末级叶片由复合材料制成的情况下。
背景技术
低压蒸汽涡轮的旋转叶片在转子中引起极大的离心力。这可为在设计用于最高效率的涡轮时的限制因素。解决方案为使用低密度叶片材料，因为此类叶片会施加较小的力到转子中。然而，这种解决方案仅可应用在低密度材料具有适合的机械性能的情况下。尽管目前认为使用钛是一种选择方法，但其他备选方案可具有甚至更好的强度与重量比。在可能的备选方案中有复合材料的叶片，其实例公开在公布的美国专利申请US 2008/0152506 A1和公布的国际专利申请WO 2011/039075 A1和WO 2010/066648和瑞士专利第CH 547943号中。
复合材料通常具有小于金属的耐热性。这特别是在低容积流操作和全速条件期间可为问题。在此类条件下，由穿过涡轮的容积流携带的热不足，且特别是末级叶片变得易受到叶片末梢区域的风阻加热的影响。正常叶片温度通常不超过65℃。然而，在没有修正装置的风阻条件下，末级叶片末梢温度可超过250℃。在此温度处，复合材料的机械性质受到显著的影响，且它们可遭受永久退化。
由专利申请第US2007/292265 A1号提供了风阻加热的解决方案。该解决方案包括将冷却介质喷射到末级末梢区域附近。包括蒸汽或水的介质可从外壳喷射到叶片末梢的前方或后方。作为备选方案或此外，用于抽取穿过外侧壁的流的小抽取沟槽可设在叶片正前方的叶片末梢附近。
鉴于现有技术，被看作本发明的目的的是提供冷却涡轮叶片(具体是复合材料的末级叶片)的末梢的更有效的装置和方法。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种轴流式涡轮，其具有：外壳，其限定用于其中的工作流体的流动通路；转子，其与外壳同轴；多个级，每个级包括沿周向安装在外壳上的静止的成排导叶、沿周向安装在转子上的旋转的成排叶片，其中，暴露于工作流体的外壳的内面具有深度增大的一个或多个基本周向的沟槽，每个沟槽终止于具有开孔的抽取端口中。
沟槽通常沿着围绕外壳的内面的周向线。然而，沟槽也可偏离周向线优选仅达到10度。如果偏离，则沟槽优选地沿穿过涡轮的总体流动方向偏离。
本发明中的外壳的内面可为安装在外壳的实际内面上的任何部分(如，隔板、导叶持环、热护罩等)的内面。沟槽被加工在暴露于工作流体流的部分的面中。
优选地，沟槽的深度始于零深度。深度最佳的是平稳地增大，以避免形成涡流或对工作流体的平稳抽取的其他障碍。
抽取端口的开孔优选定向成与沟槽相切，以在涡轮中的低容积流条件下利用蒸汽的流动方向。
在本发明的优选变型中，沿基本相同的圆周，在沿直径相对的位置存在两个沟槽。为了便于制造，最佳的是将一个或多个沟槽设计成使得它们终止于外壳的接头线处，并且抽取端口的开孔在接头线的相反侧处。以此方式，开孔可通过钻穿接头的面来实现。
与抽取端口结合的一个或多个沟槽最佳的是适于从叶片的末梢附近的容积移除工作流体，用于冷却旋转叶片、特别是复合材料的叶片的末梢的目的，对于复合材料的叶片，加热是比对于金属叶片更严重的问题。因此，沟槽的优选位置位于涡轮的末级的导叶与叶片之间。
本发明的以上方面和其他方面将从如下文所列的以下详细描述和附图中清楚。
附图说明
现在将参照附图来描述本发明的示范实施例，在附图中：
图1为涡轮的示意性轴向截面；
图2A示出图1的涡轮的末级的放大视图；
图2B为沿图2A的A-A’线的周向截面；
图2C和图2D分别为沿图2B的B-B’和C-C’线的轴向截面；并且
图3A和图3B分别示出处于全容积流和低容积流下的穿过涡轮的流。
参考标记和数字清单
10 涡轮
11 外壳
12 导叶
13 叶片
14 转子
131 末梢区域
111 沟槽
112 抽取孔
d 最终深度
113 阀
31 容积。
具体实施方式
在以下描述中更为详细地描述了本发明的实例的方面和细节。将参照附图来描述本发明的示范实施例，其中相似的参考数字全部用于表示相似的元件。在以下描述中，为了阐释的目的，提出了许多特定细节以提供本发明的彻底理解。然而，本发明可在没有这些特定细节的情况下实施，且不限于本文中所公开的示范实施例。
图1示出示范多级轴流式涡轮10。涡轮10包括外壳11，外壳11包围沿周向安装于其上的静止导叶12，以及沿周向安装于转子14上的旋转叶片13，其中转子放置在轴承(未示出)中。外壳11、导叶12和叶片13限定用于其中的工作流体(诸如蒸汽)的流动通路。每个叶片13具有从转子14到末梢区域131延伸到流动通路中的翼型件，其中，末梢区域131限定为叶片13的翼型件部分的顶部的三分之一。叶片13可由金属(包括金属合金)、复合物(包括层状复合物，其包括由树脂接合的层状碳纤维)或金属和复合物二者的混合物制成。涡轮10的多级限定为成对的静止导叶和移动叶片排，其中，涡轮10的末级朝涡轮10的下游端定位，涡轮10的下游端由穿过涡轮10的正常流动方向(如由箭头指出)限定。涡轮10可为蒸汽涡轮，且具体是低压(LP)蒸汽涡轮。作为LP涡轮，其后面通常接着冷凝器单元(未示出)，蒸汽在冷凝器中冷凝。
具有末排导叶12和叶片13的涡轮10的末级在后面的图中放大地示出。图2B示出沿图2A中的A-A’线的涡轮的部分的截面。在末级叶片13之前，一对浅沟槽111被加工在外壳11的内面中(或导叶持环(vane carrier)的内面中，如果导叶未直接地安装到外壳上)。每个沟槽111的深度沿叶片13的旋转方向从零逐渐增大，在大约二分之一转之后增大至最终深度d。在最终深度d处，沟槽进入抽取孔或通道112中。
抽取孔112与沟槽111相切，使得通道的开口基本上垂直于沟槽。抽取孔将蒸汽释放到水冷混合室中或直接地释放到冷凝器中。
抽取孔或通道112可使用阀113或其他适合的装置关闭。在正常操作中，抽取通道闭合，且仅在需要抽取时开启，即，在低流动容积下，或在叶片的温度升高超过它们的操作极限时开启。
在示出沿图2B的B-B’线的截面的图2C中，沟槽111达到接近其最终深度d的一半。在示出沿图2B的C-C’线的截面的图2D中，沟槽111示为在进入抽取孔或通道112的点处。
沟槽111和抽取孔112定向成使得具有由涡轮的旋转引起的周向速度分量的热流从接近末级叶片13的末梢的容积转移，且由沟槽引导到切向抽取孔中。
沟槽111和抽取孔112优选为位于成排的导叶12与叶片13的轴向位置之间，因为发现热流的容积在该容积中循环。沟槽和抽取孔112的宽度为设计参数，且在极端情况下占据叶片与导叶之间的外壳的内表面的大部分，但对于现今实际使用的典型涡轮可能小得多。
如图3A和图3B的比较所示，穿过涡轮的流可在质量流容积从其操作水平下降至较低水平(诸如小于正常质量流的百分之五十，或甚至小于正常质量流的百分之三十)时显著地变化。发现在此类低容积操作下，通常针对操作质量流水平优化的穿过涡轮的流改为离开凹穴，在该处流仅具有较小的轴向分量。
如图3A所示，涡轮具有在正常流动容积下的流线指出的平稳流场。流具有朝涡轮的出口方向的主要轴向速度分量。当穿过涡轮的流容积减小时(如是在启动、耗尽(run-out)、负载改变或紧急情形期间的情况)，流型改变成如图3B所示的更复杂的图像。
在减少的流条件下，存在具有小轴向分量的蒸汽容积。该容积趋于具有大得多的周向分量，例如，图3B中的容积31，其主要循环入和循环出纸平面，同时仅具有沿轴向方向的小的循环。因此，在低负载下，在涡轮中使用的湿膜刮除开孔(wet film scraping bore)变得低效，因为这些装置通常取决于轴向流速来捕获膜。
通过利用周向速度，即使在来自于涡轮的冷凝器单元的不利的反压力的情况下，也可抽取热流。
推算示出了使用300mm宽度和20mm最大深度d的沟槽来抽取大约1%的质量流，末级叶片的温度可从178℃降低至166℃。该值可通过抽取更多来进一步增大，但是以降低涡轮的总效率为代价。
从制造观点来看，使用于孔112的开孔始于涡轮外壳11的上半部与下半部之间的分离线(split)处是有利的。然而，开孔原则上可置于沿外壳或导叶持环的圆周的任何点处。还有可能沿相同的圆周线将沟槽的数目从两个增加至三个、四个或更多个。在本发明的此类变型中，沟槽的梯度较陡，以在小于半转之后实现相同目标深度。
还可为有利的是，将抽取沟槽和通道置于不同于末级导叶与叶片之间的位置处，或使抽取沟槽和通道在不止一个位置处。还有可能的是不沿单个周向线设置如上文所述的两个沟槽和抽取通道，而是沿涡轮的轴向长度略微地交错。
上文仅作为示例描述了本发明，且在本发明的范围内可作出改型，特别是涉及抽取沟槽和通道的形状、数目和设计。本发明还由延伸至其等同物的本文中所述或暗示的或附图中所示或暗示的任何独立特征、或任何此类特征的任何组合、或任何此类特征或组合的概括构成。因此，本发明的外延和范围不应由任何上述示范实施例限制。
包括附图的说明书中公开的每个特征可由用于相同、等同或类似目的的备选特征替换，除非另外明确指出。
除非在本文中明确地指出，否则说明书各处的现有技术的任何论述都未承认此类现有技术是公知的，或形成本领域中的普通总体知识的一部分。

Claims (9)

1. 一种轴流式涡轮(10)，包括：
外壳(11)，其限定用于其中的工作流体的流动通路；
转子(14)，其与所述外壳(11)同轴；
多个级，每个所述级包括：
       沿周向安装在所述外壳(11)上的静止的成排导叶(12)；以及
       沿周向安装在所述转子(14)上的旋转的成排叶片(13)；，
其中，暴露于所述工作流体的所述外壳(11)的内面包括在所述旋转叶片(13)的旋转方向上深度增大的一个或多个基本周向的沟槽(111)，其中每个沟槽(111)终止于具有开孔(112)的抽取端口中，
其特征在于，终止于所述外壳(11)的接头线(C)处的所述一个或多个沟槽(111)和用于所述抽取端口的开孔(112)在所述接头线(C)的相反侧处。
2. 根据权利要求1所述的涡轮(10)，其特征在于，所述抽取端口的开孔(112)定向成与所述沟槽(111)相切。
3. 根据权利要求1所述的涡轮(10)，其特征在于，所述涡轮(10)具有沿基本相同的圆周的、在沿直径相对的位置的两个沟槽(111)。
4. 根据权利要求1所述的涡轮(10)，其特征在于，与所述抽取端口结合的所述一个或多个沟槽(111)适于从所述叶片(13)的末梢附近的容积(31)移除工作流体，用于冷却旋转叶片(13)的所述末梢的目的。
5. 根据权利要求1所述的涡轮(10)，其特征在于，所述抽取端口具有设计成取决于流动穿过所述涡轮(10)的质量流来开启或关闭的阀(113)。
6. 根据权利要求1所述的涡轮(10)，其特征在于，与所述抽取端口结合的所述一个或多个沟槽(111)位于所述涡轮(10)的末级的导叶(12)与叶片(13)之间。
7. 根据权利要求1所述的涡轮(10)，其特征在于，与所述抽取端口结合的所述一个或多个沟槽(111)位于至少部分地由复合材料制成的成排叶片(13)附近。
8. 一种冷却轴流式涡轮(10)中的叶片(13)的方法，所述轴流式涡轮(10)具有：
外壳(11)，其限定用于其中的工作流体的流动通路；
转子(14)，其与所述外壳(11)同轴；
多个级，每个所述级包括：沿周向安装在所述外壳(11)上的静止的成排导叶(12)；以及
沿周向安装在所述转子(14)上的旋转的成排叶片(13)，
其中，暴露于所述工作流体的所述外壳(11)的内面包括在所述旋转叶片(13)的旋转方向上深度增大的一个或多个基本周向的沟槽(111)，其中每个沟槽(111)终止于具有开孔(112)的抽取端口中，所述方法包括以下步骤：开启所述抽取端口，并且通过所述沟槽(111)和所述抽取端口从接近所述叶片(13)的末梢的容积(31)抽取工作流体。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述抽取端口在所述涡轮(10)的正常操作期间闭合，且在所述涡轮(10)在低质量流条件下操作时开启。
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