CN103541775A - 用于轴流式涡轮的静止导叶组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于轴流式涡轮的静止导叶组件。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导叶排、沿周向安装在转子上的旋转叶片排，其中在级内，n个导叶具有延伸部，使得n个导叶中的每个的后缘的至少一部分到达由其余N-n个导叶的后缘与同级的旋转叶片的前缘限定的环形空间中。

Description

用于轴流式涡轮的静止导叶组件
技术领域
本发明大体上涉及一种用于轴流式(axial flow)涡轮，特别是用于低压蒸汽涡轮的静止导叶的组件。
背景技术
如美国专利第4,165,616号中所述，在所有涡轮叶片上获得最大可能的级效率和避免负反力需要将轴向速度保持在特定范围内。离开可旋转的涡轮叶片的蒸汽的轴向速度为用于确定级负载、负反力的概率和涡轮级作负功的概率的最重要的参数中的一个。涡轮中的末级叶片或排气叶片是最难最佳地设计的叶片，因为它们由于部分负载和过载操作而经历广泛变化的压力比。
当排气级下游的排气压力变化时，末级叶片优化变得甚至更难，且常常导致其峰效率可为相当低的叶片。排气压力方面的相对较小的变化可对涡轮性能具有显著的影响。当在启动期间或在停机期间，涡轮在部分负载下操作时，该效果尤其明显，其中对于任何给定的质量流速的在背压力方面的变化可导致排气级的操作模式从零功变为阻塞流，或反之亦然。涡轮的正常操作点通常设计成落在两个上述极限之间。阻塞流区域中的操作将不产生附加涡轮功率输出，但将增大循环的热耗率，而零功区域外的操作将引起由其余涡轮叶片生成的功的消耗而非产生。
在零功点外操作的另外的缺点为末级将最终经历非稳定流动现象，这可引起特别大的叶片振动。避免在阻塞点外操作的另外的原因为在阻塞点的上游和下游产生的非连续流型。此类非连续且非稳定流矢量地加至由外力引起的叶片上的任何刺激性振动力。
公知对旋转叶片在末梢处提供护罩并且/或者在中间高度点处提供减振器，以防止振动。美国专利第3,751,182号描述了一种形式的导叶，其在叶片的末梢附近紧固到相邻旋转叶片上，以连接叶片，以便减小振动。
鉴于现有技术，看作是本发明的目的的是提供一种静止导叶布置，特别是低压蒸汽涡轮的末级叶片中的静止导叶的布置。该布置优选设计为减小叶片振动。
发明内容
根据本发明的方面，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导叶排、沿周向安装在转子上的旋转叶片排，其中在级内，n个导叶具有延伸部，使得n个导叶中的每个的后缘的至少一部分到达由其余N-n个导叶的后缘与同级的旋转叶片的前缘限定的环形空间中。
延伸导叶的数目n大于零，但小于级中的导叶的总数N的一半。
优选地，导叶的延伸部分位于更靠近外壳的导叶的三分之二内。
从以下详细描述和如下面所列的附图中，本发明的以上方面和其他方面将是显而易见的。
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1A为涡轮的示意性轴向截面；
图1B示出图1A中的涡轮的末级的放大视图；
图2A示出根据本发明的实例的涡轮的末级的放大视图；并且
图2B为根据本发明的实例的穿过涡轮的末级的导叶的、恒定径向高度处的水平截面。
参考标记和数字清单
10 轴流式涡轮
11 外壳
12 静止导叶
121 上/延伸导叶
122 长度
123 下/非延伸导叶
13 旋转叶片
14 转子
15 环形空间。
具体实施方式
在以下的描述中将更详细地描述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，相似参考数字用于表示各处的相似元件。在以下描述中，为了阐释的目的，提出了许多具体细节以提供本发明的彻底理解。然而，本发明可在没有这些具体细节的情况下实施，且不限于在本文中公开的示范实施例。
图1A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和沿周向安装在转子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12具有从转子14至末梢区域延伸到流动通路中的翼型件。叶片13可由金属(包括金属合金)、复合材料(包括层状复合材料，其包括由树脂接合的层状碳纤维)，或金属和复合材料二者的混合物制成。涡轮10的多个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的下游端如由穿过涡轮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)，蒸汽在冷凝器单元中冷凝。
图1B中放大地示出具有末排导叶12和叶片13的常规涡轮10的末级。在常规涡轮中，形成末级或事实上任何其他级的周向组件的导叶或引导叶片在形状和尺寸方面是基本一致的。导叶12的后缘和叶片13的前缘形成围绕转子14的环形空间15的边界。蒸汽在其穿过末级且进入冷凝器(未示出)的路线上行进穿过该空间。
在如图2A和图2B所示的本发明的实例中，末级的若干导叶12具有延伸的弦长，且因此进一步延伸到末级的导叶12与叶片13之间的空间中。其他元件等同于或类似于图1B的元件，且以相同数字表示。
在图2A中，上导叶121示为具有延伸的弦长。正常导叶的长度以虚线122指出。同样，出于说明本发明的该实例的目的，下导叶123示为正常弦长的导叶。然而，优选具有延伸的弦长的若干导叶围绕级的圆周均匀或对称地分配。具有延伸的弦长的导叶可围绕级的圆周不规则或均匀地或对称地分配。
优选将具有延伸的弦长的导叶的部分限制在总导叶高度的下方2/3，保持导叶的末梢不变。通常，导叶与旋转叶片之间的轴向间隙需要朝外壳增大以减小侵蚀，而在导叶的毂(hub)或末梢处，该间隙最小。较大的轴向间隙允许微滴在它们在较长距离上沿切向方向加速时更好地从主流分离。其次，更多微滴离心出且收集在外壳处，在此，它们不可损害旋转叶片。通过仅增大仅少许导叶的弦，发现侵蚀仅略微增大，但导叶与旋转叶片之间的通风状态下的高度周向引导(highly circumferentially directed)流受到干扰，从而导致较低的叶片振动。
周向布置的一部分在图2B中示为在固定径向距离处穿过导叶12的水平截面。在所示的五个导叶12中，导叶121具有延伸的弦长。因此，导叶121的后缘的至少一部分朝后面的叶片13(未示出)进一步到达空间中。虚线圆指示导叶之间的最窄通道或喉部。尽管引入延伸导叶121，但对于级的所有导叶都维持喉部和喉部角度或计量角度。沿导叶121两侧的流类似于穿过其他导叶的流，从而减小由延伸导叶121的引入引起的损耗。
值得注意的是，一个或多个延伸的导叶的引入相当于纯流动参数方面的级的亚最佳设计。本发明可看作是基于以下假定：在某些情况下，有利的是减小纯流动效率以得到克服流动不稳定性的抵抗力，从而增大涡轮及其叶片的操作包线和/或寿命。
将障碍物插入导叶12与叶片13之间的空间中可减小可能由一个因素2或更多因素引起的叶片振动。级的环中的延伸导叶的数目最佳的是在两个至三个的范围中。发现相对较少数目的延伸导叶在许多情况下足以中断引起级之间的流型的叶片激振。
本发明已经单纯地经由实例而在上文中描述，且可在本发明的范围内作出改型，特别是如关于延伸导叶与具有正常弦长的导叶的比率和它们沿导叶环或隔板的圆周的空间分布。
本发明还包括在本文中描述或隐含的或在附图中示出或隐含的任何独立特征，或任何此类特征的任何组合，或延伸至其等同物的任何此类特征或组合的任何归纳。本发明的广度和范围不应由上述示范实施例中的任何一个限制。
在说明书(包括附图)中公开的每个特征可由服务于相同、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，或形成该领域中的公共常识的一部分。

Claims (5)

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)上的成排的N个静止导叶(12)；以及
    沿周向安装在所述转子(14)上的成排的旋转叶片(13)，
其中，在级内，n个导叶(121)具有延伸部，使得所述n个导叶(12)中的每个的后缘的至少一部分进入由所述转子(14)和所述外壳(11)以及其余N-n个导叶(12)的后缘和同级的旋转叶片(13)的前缘限制的环形空间(15)中，
其中，延伸导叶(121)的数目n大于零，但小于所述级中的导叶(12)的总数N的一半。
2. 根据权利要求1所述的涡轮(10)，其特征在于，所述级为低压蒸汽涡轮(10)的末级。
3. 根据权利要求1所述的涡轮(10)，其特征在于，所述数目n选择为0＜n＜N/4。
4. 根据权利要求3所述的涡轮(10)，其特征在于，所述数目n选择为0＜n＜4。
5. 根据权利要求1所述的涡轮(10)，其特征在于，所述延伸部限制为导叶(12、121)的径向高度的最初2/3。
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