CN105545376A - 涡轮组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涡轮，其中，旁通通路(44)延伸通过固定导叶(30)的基部部件(32)，以连结相邻的旋转叶片排的密封腔体(40，42)，使得传送在壳体(15)和旋转叶片(20)的护罩(22，23)之间的密封流至少部分地绕过涡轮主流道(19)。

Description

涡轮组件

技术领域

本公开大体涉及多级涡轮，包括蒸汽涡轮和燃气涡轮，并且更具体而言，涉及减少通过带护罩的旋转叶片的密封件的泄漏流产生的效率损失的器件。

背景技术

轴向流涡轮(例如蒸汽涡轮)包括壳体和转子，转子可旋转地支承在壳体内。转子包括轴和多个转子叶片环，转子叶片环一个接一个地附连到轴上。在涡轮的运行期间，叶片环使工作流体逐渐膨胀，以驱动轴。

各个转子叶片环通过沿周向布置的多个转子叶片形成，其中两个相邻的转子叶片形成叶片通路。转子叶片在空气动力学方面的轮廓使得，当工作流体穿过叶片通路时，流转向且从而在转子叶片上产生周向力。在转子叶片环的各个叶片上的周向力实现转子的转动，从而产生轴功率。

转子叶片固定到轴上且从轴延伸向壳体。转子叶片在壳体处的侧向端部形成为叶片尖部，其中在叶片尖部处，转子叶片环由护罩保护。护罩固定到叶片尖部上且与壳体间隔开，从而形成尖部间隙。尖部间隙的高度的尺寸设置成使得在涡轮的运行期间，阻止护罩刮擦壳体。由于转子叶片环的上游的流的静态压力高于转子叶片环的下游的流的静态压力，所以在涡轮的运行期间，泄漏流穿过尖部间隙。

主流穿过叶片通路，以产生轴功率，而泄漏流通过尖部间隙绕过转子叶片。因此，泄漏流不参与轴功率的产生且不流过叶片通路。另外，在重新夹带到主流路径中之后的泄漏流会扰乱主流。因此，主流在局部不均匀，从而导致失配流。此外，尖部间隙流与主流混合且产生不利的耗散。因此，尖部间隙流的存在影响涡轮效率。

具体而言，在具有低纵横比叶片的高压涡轮中，尖部间隙流产生的损失与涡轮的总损失相比显著较高。

减少尖部间隙流对涡轮的动气动力学效率的这个负面影响的补救措施是采取措施减少尖部间隙流。例如，措施是在护罩的外部周边上在尖部间隙内提供迷宫密封件，以减少尖部间隙流的质量流量。作为备选方案，密封元件固定在壳体处在尖部间隙中。为了将密封元件固定到壳体上，在壳体中，提供周向凹槽，密封元件嵌在其中。

各个解决方案减少尖部泄漏，但是不消除流。因此，仍然需要解决叶片尖部泄漏产生的涡轮效率损失。

发明内容

公开了一种涡轮，其构造成解决旋转叶片泄漏流由于在主工作流体流道中产生紊流而降低涡轮效率的问题。

其试图通过独立权利要求的主题来解决这个问题。有利实施例在从属权利要求中给出。

公开内容基于提供围绕固定导叶的旁路的大体想法，以便至少减少在带护罩旋转叶片尖部和壳体之间传送的泄漏流体的再次进入流。

一个大体方面包括一种涡轮，其包括具有旋转轴线的转子、封闭转子以在它们之间形成流道的壳体，壳体具有第一和第二密封器件。涡轮还包括在流道中的第一旋转叶片排，其具有多个沿周向分布的第一叶片，所述多个沿周向分布的第一叶片各自具有连接到转子上的第一根部和与第一密封器件相邻的第一护罩。涡轮另外具有固定导叶排，其各自具有延伸到流道中的导叶翼型件。具有多个沿周向分布的固定导叶的固定导叶排与第一旋转叶片排沿轴向相邻且在第一旋转叶片排下游。各个固定导叶具有连接到壳体上的基部部件。第二旋转叶片排位于流道中，与固定导叶排沿轴向相邻且在固定导叶排下游。这个第二旋转叶片排具有多个沿周向分布的第二旋转叶片，其各自具有连接到转子上的第二根部和与第二密封器件相邻的第二护罩。第一腔体由第一护罩、第一密封器件和基部部件形成而第二腔体由第二护罩、基部部件和第二密封器件形成。

另外的方面可包括一个或多个以下特征。在涡轮中，各个固定导叶具有前缘，其中旁通通路的第一端部位于第一腔体的沿周向在两个沿周向相邻的固定导叶的前缘之间的点处。在涡轮中，旁通通路相对于转子旋转轴线沿径向移位。在涡轮中，旁通通路平行于转子旋转轴线。在涡轮中，旁通通路相对于旋转轴线沿转子的正常运行旋转的方向在-30度和30度之间，优选在0度和10度之间成角度。在涡轮中，旁通通路沿着其长度具有均匀横截面积。涡轮构造成燃气涡轮或冲击(impulse)型蒸汽涡轮。在涡轮中，基部部件为蒸汽涡轮隔挡(diaphragm)。

在大体方面，权利要求的涡轮包括多个旁通通路。

本公开的其它方面和优点根据结合附图得到的以下描述将变得显而易见，附图通过示例示出本发明的示例性实施例。

附图说明

作为示例，下面参照附图更完整地描述本公开的实施例，其中：

图1为根据本公开的示例性优选的实施例的具有旁通通路的涡轮区段的透视图；

图2为图1的涡轮区段的俯视截面图；

图3为蒸汽涡轮的截面图，其具有隔挡和围绕隔挡的示例性实施例的旁通通路；以及

图4为图1的基部部件的放大图，其显示不均匀的横截面积的旁通通路。

具体实施方式

现在参照附图来描述本公开的示例性实施例，其中，相同标号在全文用来表示相同元件。在以下描述中，为了解释，阐述许多具体详细以提供本公开的完整理解。但是，可在没有这些具体细节的情况下实践本公开，并且不限于本文公开的示例性实施例。

桨距(pitch)为旋转方向上在相邻的叶片上的对应的点之间的距离。在这个描述中，点对应于沿周向相邻的固定叶片的前缘，其中如从涡轮的旋转叶片的旋转的周向方向得到的那样，0%桨距对应于上游叶片的前缘，并且如从涡轮的旋转叶片的旋转的周向方向得到的那样，100%桨距对应于前缘下游的桨距。

图1中显示的涡轮的示例性实施例包括转子10和壳体15，壳体15封闭转子10，以便在它们之间形成流道19。沿周向分布的旋转叶片20和固定导叶30的多个翼型件20a、30a位于流道19中。旋转叶片20和固定导叶30布置成使得存在上游成排的旋转叶片20，其与下游成排的固定导叶30相邻，下游成排的固定导叶30又与另一排旋转叶片21相邻。图1中显示的旋转叶片20和固定导叶30的数量不仅仅限于阐述示例性实施例，并且因此不是这个公开的示例性实施例能适用的涡轮的限制性示例。

涡轮包括密封器件16、17，其在固定壳体15和旋转叶片20、21的护罩22、23之间提供密封。取决于涡轮的构造，密封器件16、17可安装在壳体15上，如图2中显示，或安装在延伸环18a、18b上，使得各个密封器件16、17分别在第一腔体40和第二腔体42中，第一腔体40和第二腔体42两者位于流路径19外部。在图3中显示的示例性实施例中，延伸环18a、18b安装到下游基部部件32上。在图3中显示的示例性实施例中，延伸环18a安装到基部部件32上，并且延伸环18b安装到下游基部部件32上。在未显示的示例性实施例中，延伸环18a安装到上游基部部件32上。

旋转叶片20、21中的各个包括叶片根部24，其将旋转叶片20、21固定到转子10上。在各个旋转叶片20、21的远侧端部处，即在最靠近壳体15的端部处，旋转叶片20、21具有护罩22、23。护罩22、23构造成使得存在传送在护罩22、23和壳体15之间的工作流体泄漏流。典型地位于壳体15和护罩22、23之间的密封器件限制泄漏流。

位于成排的旋转叶片20、21之间的固定导叶30各自具有基部部件32，其支承固定导叶30或将固定导叶30连接到壳体15上。基部部件32的形式取决于涡轮的构造。例如，在应用于冲击型蒸汽涡轮的示例性实施例中，基部部件32为隔挡32，其构造成环，以支承固定导叶排的固定导叶30。在另一个未显示的示例性实施例中，基部部件32为导叶根部32，其将各个固定导叶30连接到壳体15上。在另一个未显示的示例性实施例中，基部部件为壳体15和导叶附连器件的组合。

第一腔体40由第一护罩22、第一密封器件16和基部部件32形成，而第二腔体42由第二护罩23、基部部件32和第二密封器件17形成。

显示在图1中的示例性实施例进一步包括旁通通路44，其从第一腔体40处的第一端部通过基部部件32延伸到第二腔体42处的第二端部，其中第一端部和第二端部两者位于流道19外部。旁通通路44的目标是通过一起绕过流道19而将在上游旋转叶片20的护罩22上流动的泄漏流引导到下游成排的旋转叶片21，且因而绕过导叶30的翼型件30a。因为很少或没有来自第一腔体40的泄漏流体返回到流道19，所以因而消除或至少减少在流道19中的紊流源且因而消除或至少减少损失的效率。

在示例性实施例中，旁通通路44具有第一端部，其位于第一腔体40的沿周向在两个沿周向相邻的固定导叶30的前缘34之间的点处。在这个示例性实施例中，沿周向在其之间包括相对于投射在两个沿周向相邻的固定导叶30的前缘34之间的线上的点沿轴向和/或沿径向移位的点。也就是说，旁通通路44的第一端部可为第一腔体中的在投射的线的上游的任何点处。

旁通通路44的构造取决于涡轮的类型和旁通通路44是否改装到涡轮上或构造成原始设计的一部分。因此，其可为笔直的或包括至少一个非线性区段，诸如曲线或拐角。

在显示在图3中的示例性实施例中个，涡轮为冲击型蒸汽涡轮，其具有隔挡32，隔挡32构造成环，以包围和支承固定叶片排的固定导叶30。在这个示例性实施例中，旁通通路44形成为通过隔挡32。

在显示在图4中的示例性实施例中，旁通通路44沿着其长度具有不同的横截面积。在第一部分中，旁通通路44具有较大横截面积，而在端部区域处，旁通通路44具有减小的横截面积。这个示例性实施例可适用于改装，其中，较容易利用较大的钻头钻出长的通路。这通过存在较小的先导孔来实现，其通过旁通通路44的较小的横截面积形成，该横截面积限定旁通通路44的流容量。

在显示在图1中的示例性实施例中，流道19相对于旋转轴线12倾斜，以优选地遵从流道19的扩张。在未显示的示例性实施例中，流道19平行于旋转轴线12。

在显示在图2中的示例性实施例中，旁通通路44与旋转轴线12形成角度46，其使旁通通路44沿旋转叶片20的旋转方向14的方向成角度。在显示在图2中的示例性实施例中，旁通通路44的第一端部沿着固定导叶30的桨距定位。

在显示在图3中的示例性实施例中，涡轮为冲击型蒸汽涡轮，其具有隔挡32，隔挡32构造成环，以支承固定叶片排的固定导叶30。在这个示例性实施例中，旁通通路44围绕隔挡32而形成。当这个示例性实施例改装到蒸汽涡轮上时，可能需要确保蒸汽不进一步绕过密封器件。其中密封器件包括延伸环18a、18b，其各自本身安装在这排固定导叶30的隔挡32上，或者可能需要相邻的排的额外壳体密封件48，其跨越在延伸环18a、18b中的任一个或两者和壳体15之间。

虽然本文在所构想的最实际的示例性实施例的方面显示和描述本公开，但是其能以其它具体形式体现。例如，示例性实施例可同样应用于燃气涡轮和所有类型蒸汽涡轮，包括高压蒸汽涡轮、中压蒸汽涡轮、反作用叶片式蒸汽涡轮和冲击叶片式蒸汽涡轮。当前公开的实施例因此在所有方面看作说明性的而不是限制性的。公开的范围由所附权利要求所规定，而非前述描述，并且落在意义和范围和其等效物内的所有变化意图包含在其中。

部件列表

10转子

12旋转轴线

14正常旋转方向

15壳体

16、17密封器件

18延伸环

19流道

20、21旋转叶片

20a翼型件(旋转叶片)

22、23护罩

24旋转叶片根部

30固定导叶

30a翼型件(固定导叶)

32基部部件/导叶根部/隔挡

34前缘

36桨距

40腔体

42腔体

44旁通通路

46角度

48壳体密封件。

Claims (15)

1.一种涡轮组件，包括：

转子(10)，其具有旋转轴线(12)；

壳体(15)，其封闭所述转子(10)，以在它们之间形成流道(19)；

第一旋转叶片排，其具有多个沿周向相邻的第一旋转叶片(20)，所述多个沿周向相邻的第一旋转叶片(20)各自具有在远离所述转子(10)的第一旋转叶片端部处的第一护罩(22)，以及延伸到所述流道(19)中的叶片翼型件(20a)；

第一密封器件(16)，其位于所述壳体(15)和所述第一护罩(22)之间；

与所述第一旋转叶片排沿轴向相邻且在所述第一旋转叶片排下游的固定导叶排(30)，其具有多个沿周向相邻的固定导叶(30)，所述多个沿周向相邻的固定导叶(30)各自具有基部部件(32)和延伸到所述流道(19)中的导叶翼型件(30a)；

在所述流道(19)中与所述固定导叶排沿轴向相邻且在所述固定导叶排下游的第二旋转叶片排，其具有多个沿周向相邻的第二旋转叶片(21)，所述多个沿周向相邻的第二旋转叶片(21)各自具有在远离所述转子(10)的第二旋转叶片端部处的第二护罩(23)；以及

第二密封器件(17)，其位于所述壳体(15)和所述第二护罩(23)之间，

其中第一腔体(40)由所述第一护罩(22)、所述密封器件(17)和所述基部部件(32)形成，并且第二腔体(42)由所述第二护罩(23)、所述基部部件(32)和所述第二密封器件(17)形成，

其特征在于，旁通通路(44)从所述第一腔体(40)处的第一端部延伸到所述第二腔体(42)处的第二端部，以绕过所述流道(19)和所述导叶翼型件(30a)。

2.根据权利要求1所述的涡轮组件，其特征在于，所述导叶翼型件(30a)中的各个具有前缘(34)，其中所述旁通通路(44)的所述第一端部位于所述第一腔体(40)的沿周向在所述沿周向相邻的导叶翼型件(30a)中的两个的前缘(34)之间的点处。

3.根据权利要求1至2中的任一项所述的涡轮组件，其特征在于，所述旁通通路(44)相对于旋转轴线(12)沿径向移位。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的涡轮组件，其特征在于，所述旁通通路(44)平行于所述旋转轴线(12)。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的涡轮组件，其特征在于，所述旁通通路(44)相对于所述旋转轴线(12)沿所述转子(10)的正常旋转方向(14)的方向在-30度和30度之间成角度。

6.根据权利要求1至4中的任一项所述的涡轮组件，其特征在于，所述旁通通路(44)相对于所述旋转轴线(12)沿所述转子(10)的正常旋转方向(14)的方向在0度和10度之间成角度。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的涡轮组件，其特征在于，所述旁通通路(44)的所述第一端部比所述旁通通路(44)的所述第二端部具有更大横截面积。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的涡轮组件，其特征在于，所述旁通通路(44)包括至少一个非线性区段。

9.根据权利要求1至8中的任一项所述的涡轮组件，其特征在于，包括多个旁通通路(44)。

10.根据权利要求1至9中的任一项所述的涡轮组件，其特征在于，构造成燃气涡轮。

11.根据权利要求1至10中的任一项所述的涡轮组件，其特征在于，所述基部部件(32)为导叶根部(32)，其中所述旁通通路(44)延伸通过所述导叶根部(32)。

12.根据权利要求1至9中的任一项所述的涡轮组件，其特征在于，构造成冲击型蒸汽涡轮。

13.根据权利要求12所述的涡轮组件，其特征在于，所述基部部件(32)包括隔挡，其构造成和布置成用于所述固定导叶排的所述固定导叶(30)的支承环，其中旁通通路(44)延伸通过蒸汽涡轮隔挡(32)。

14.根据权利要求12所述的涡轮组件，其特征在于，所述基部部件(32)包括隔挡(32)，其构造成和布置成用于所述固定导叶排的所述固定导叶(30)的支承环，其中所述旁通通路(44)围绕所述隔挡延伸。

15.根据权利要求13或14所述的涡轮组件，其特征在于，所述隔挡(32)包括：

第一延伸环(18a)，其在所述第一护罩(22)和所述壳体(15)之间延伸，其中所述第一密封器件(16)安装在所述延伸环(18a)上，在所述延伸环(18a)和所述第一护罩(22)之间；以及

第二延伸环(18b)，其在所述第二护罩(23)和所述壳体(15)之间延伸，其中所述第二密封器件(17)安装在所述第二延伸环(18b)上，在所述第二延伸环(18b)和所述第一护罩(22)之间。