CN1056435C - 无叶汽轮机 - Google Patents

Abstract

涉及一种无叶片汽轮机，包括定子、转子、端盖、主轴、轴承、进汽室、排汽室、螺栓、脚架和强筋片，定子由内外壳套合，带锥度，中间为冷凝水室，内壳呈圆锥管状，且设有均匀分布的多道径向带偏心角的进排汽孔和汽孔盖。呈圆锥柱体状的转子套于定子内壳，转子与定子同锥度动配合，设道数与定子汽孔道数相同而径向隔开分布角度为2～25°的汽缸，汽缸内的径向方向相同并与定子汽孔方向一致。提高了有效功率和余热回收。

Description

无叶汽轮机

本发明涉及一种无叶片转子的汽轮机。

继活塞式蒸汽机之后的叶片式汽轮机已广泛应用于工业生产，其种类很多，虽然现有背压式、抽汽式、冷凝式、中间再热式等，但是其基本结构大体相同，都设有动叶片和静叶片组成的多压力级结构的装置，靠蒸汽(工作介质)膨胀作功，有效热效率高达22％～38％。

叶片式汽轮机主要包括进汽室、喷咀(即第一级静叶片)、动叶片、静叶片、转子、定子、主轴、轴瓦、排汽室、螺栓和隔热层等，主体结构有叶片、转子和定子。除高压部分少数几个压力级整片角度相同外，多数压力级的动、静叶片都是从根部(轴向)15～30°开始到叶片末端(轴向)70～85°，由厚到薄扭旋展开形状的构造，全部叶片的几何结构非常复杂。

本发明的目的在于提供一种明显提高动力机功率和有效热效率，主要靠冷凝收缩(工作介质)蒸汽的体积作功的无叶汽轮机。

本发明包括定子、转子、端盖、主轴、轴承、进汽室、排汽室、紧固螺栓、脚架和强筋片，主轴与转子用轴键静配合，主轴的两端与轴承连接成动配合，两端盖由紧固螺栓螺固在定子的两个端面上。定子由带锥度的内壳、外壳双层套合而成，内壳与外壳之间为冷凝水室，冷凝水室设进水管和排水管，内壳呈圆锥管状，内表面的轴向倾斜角为3～30°，内壳的圆周轴向设有均匀分布的6～20道具有相同间隔的进汽孔(也称喷咀)和排汽孔，其径向相隔开的分布角度为4～30°，汽孔方向相同并与径向中心垂直线成35～65°的倾斜偏心角，而与轴向中心线成90°。每一个排汽孔与下一级进汽孔相接，第1道的进汽孔与进汽室相接，末道的排汽孔与排汽室相接，每一对相邻的进汽孔和排汽孔上设汽孔盖，进汽室设进汽口，排汽室设排汽口。

转子呈圆锥柱体状，并套于定子内壳，转子与定子同锥度动配合，转子圆周外表面的轴向倾斜角与定子内壳内表面的倾斜角相同，且在转子轴向上设道数与定子汽孔道数相同，而径向隔开分布角度为2～25°的小汽缸，汽缸内的径向方向相同并与定子汽孔方向相一致，向后的汽缸面向后倾斜角度为20～45°，前汽缸面径向向后倾斜角度为5～15°，汽缸内轴向两面与轴心线成90°。

通常，定子内壳内表面的轴向倾斜角度可为8～12°，内壳的圆周轴向均匀分布并具有相同间隔的进汽孔和排汽孔可为12～16道，其径向相隔开的分布角度可为10～15°，汽孔方向与径向中心垂直线成45～50°倾斜偏心角。转子上的小汽缸径向隔开分布角度可为5～10°，向后的汽缸面向后倾斜角为35～40°，前汽缸面(径向)向后倾斜角为5～10°。

本发明配合已有的轴心推进器、联轴器、离心自动调速器、控汽阀与控汽曲杆等辅助装置以及有关系统，即构成一套无叶片汽轮机设备。

本发明的基本工作原理是蒸汽在高压的作用下与外界产生巨大的压力差，存在着从高压向低压流动的势能，产生了巨大的运动能，经过喷咀并高速冲击到转子小汽缸内，使蒸汽的热能转换成动能传递给转子，这是第一次产生冲击力作功。当蒸汽高速脱离小汽缸时产生反冲作用力，即第二次反冲作用力作功，所以蒸汽每一进、一出汽缸都做了180°转弯的两次动能转递作功，这是传递动能，是使热能量转换的最佳方法。每道压力级的各个小汽缸都接受不同速度的蒸汽动能，由于力可合成作用使转子产生巨大功率。

另外，为减少蒸汽余速损失，各级的压力降不是靠传统的扩大容积来解决，因同一质量的蒸汽与其容积成反比，不利于热机有效作功，而是逐级冷凝蒸汽使其体积收缩来达到压力降。它有两大优点：第一是不降低蒸汽作用在转子有效受力单位面积上的密集度(即质量比)，因为运动中的质量-速度-惯性力成正比，这是获得动能量的最佳条件。第二是被水冷凝获得的余热含有较高的温度(高品位的热能量)可送回锅炉再循环利用，有效降低余热损失并由主机来完成热循环，进行直接回收余热，可大幅度地提高废气余热回收。

同时，转子与定子可达到密封极限，这是采用可调控密封来实现的。因转子的直径小，又受蒸汽的向心压力，而定子直径大，又受蒸汽的离心压力的反差，以及金属的塑性，所以转子的膨胀系数小于定子的，造成热胀间隙大，因此必须采用可调控密封，这是提高蒸汽机功率的必要手段。

显然，与现有同功率的叶片式汽轮机相比，本发明有如下优点：

1.转子和定子采用同一锥度，经精加工后又进行自相磨合，可达到极高的同心度。轴向可移动调控，使金属热膨胀造成的间隙等得到解决，转子与定子的间隙可调到临界间隙，因间隙极小使它在转子表面的流体形成汽膜密封，高度的密封可使该机提高效率3％～5％。

2.因转子小汽缸内蒸汽向四周的压力相等，它与转子同步向前运动并转向排气孔，蒸汽排往下一道压力级的喷咀。故克服了叶片式汽轮机(轴向)高速流体与(径向)高转速叶片相互冲击产生巨大阻力损失，可提高效率6％～8％。

3.汽流在小汽缸内做180°的转弯角度(作功)，有效地提高流体动能的冲击作用力和反冲作用力，可提高效率7％～9％。

4.蒸汽在定子的进排汽孔之间以及导汽接头通道内流动，因(扩容)降压产生的流阻损失很小，使其动能转换为热能量被冷凝水吸收而带回锅炉循环利用，故对总体热效率损失不大。同时，克服了现有叶片式汽轮机扩大容积造成的低品位的热能量，即余热无法回收。该机在这方面有独特性能，能使整个余热回收率高达30％～40％(循环利用)。

综上所述，有效功率的提高和余热回收，使本发明比现有叶片式汽轮机提高有效热效率高在20％～38％。显然，由于不同数量的压力等级和大小功率各异，所以各类型的无叶轮机提高有效功率的高、低有所不同，具体数据只有按设计各类型机种需要而定。

图1为本发明的径向剖面图。

图2为本发明的轴向半剖面图。

图3为本发明的径向工作原理图。

图4为本发明的轴向工作原理图。

如图1、2所示，本发明包括定子(1)、转子(10)、端盖(13，18)、主轴(12)、轴承(16)、进汽室(2)、排汽室(8)、紧固螺栓(15，17)、脚架(24)、强筋片(26)等。

定子(1)由内壳(5)与外壳(6)套合而成，内壳(5)呈圆锥管状，形成双层带锥度的定子(1)，内壳与外壳的层间为冷凝水室(23)，冷凝水从进水管(21)流入冷凝水室，从排水管(22)流出。内壳上设有均匀对称隔开分布角度为10°的12道径向带偏心角度45°的进汽孔(3)和排汽孔(4)，12道汽孔都在同一轴线上构成一进一出相间隔的36组汽孔，每个汽孔(轴向)与中心线成90°，而径向方向一致，单向偏心倾斜角度为45°。上一级的排汽孔与下一级的进汽孔连接，第1道的进汽孔与进汽室(2)连接，第12道的排汽孔与排汽室(8)连接，进汽室(2)的进汽口设进汽法兰(19)，排汽室(8)的排汽口设排汽法兰(20)。在内壳的圆周外表面的每个组进汽孔与排汽孔上设汽孔盖(7)。

转子(10)呈圆锥柱体状，并套于定子的内壳，形成转子与定子的同锥度动配合。转子圆周外表面的轴向倾斜角度与定子内壳内表面的倾斜角度一致，其倾斜角可设计为3～30°。且在转子上设12道小汽缸(9)，其径向隔开的分布角度为8°，小汽缸内的径向方向相同并与定子汽孔方向相一致，向后的汽缸面向后倾斜角度为35°，前汽缸面径向向后倾斜角度为5°，小汽缸内(轴向)两面与轴心线成90°。

主轴(12)与转子(10)采用轴键(11)静配合，两端盖(13，18)的中心可采用滑动或滚动轴承(16)，装配时把轴承盖(14)用螺栓(15)螺固，并用螺栓(17)螺固在定子的两个端面上。脚架(24)上设地脚螺孔(25)。

实用时，可适当增加汽封圈、隔热层等，并配以已有的轴向推进器、联轴器、离心自动调速器、控汽阀与控汽曲杆等辅助装置以及有关系统，即构成一套无叶片的汽轮机设备。

在图2中，工作介质(蒸汽)沿双线箭头方向进入定子(1)上部的进汽室(2)，使整个第一压力级的喷咀(3)即进汽孔全部压力均匀。高压蒸汽在第一级喷咀(3)的汽孔道内得到加速度，产生巨大的运动能，即流体的冲击能，蒸汽高速的冲击在转子(10)的小汽缸(9)里，产生动能传递作用(即作功)。

进入小汽缸(9)里的蒸汽在第一压力级随着转子(10)向前作(径向)运动(见图2径向剖面部分)，到第一压力级的排汽孔(4)时流出。蒸汽在第一压力级一进、一出完成了第一次动能传递作用即第一次作功。

由第一压力级排出的蒸汽沿着汽孔盖(7)内通道向(轴向)低压级运动，进入第二个压力级的喷咀(3)进行再次冲击，在转子(10)的第二道压力级的小汽缸(9)里，蒸汽第二次一进、一出，第二道压力级产生了第二次动能传递作用即第二次作功。

蒸汽由此顺序逐级从高压向低压方向返复流动、返复冲击，传递动能作用，压力逐级下降，蒸汽到了最后未级(第十二级)的喷咀(3)进行最后一次作功，由未级(第十二级)的排汽孔(4)排到排汽室(8)后汇合，全部排出。

图3是使工作介质(蒸汽)发生(径向)偏心压力产生旋转扭矩力的示意图。偏心扭矩力的产生存在于(径向)倾斜偏心孔使蒸汽流体造成偏心惯性冲力和偏心压力而构成。

由于定子内壳(5)和圆周在加工(铣或钻)喷咀(3)和排汽孔(4)时，就采用同一(径向)倾斜偏心孔加工方法，孔的(径向)倾斜偏心角与定子(1)的中心垂直线形成倾斜坡度为35～65°，偏心角度的大小直接与扭矩力的大小成正比。

在图3、图4中，蒸汽一进、一出，转子(10)的小汽缸(9)都是在缸内完成180°的转弯运动，选择工作介质产生180°角的往返(进汽产生冲击作用，排汽产生反冲作用)的传递流体动能(作功)的方式有效地提高工作介质传递动能的最佳角度选择。

蒸汽在定子(1)的汽孔盖(7)的通道里产生减压加速的(轴向)运动，汽孔盖(7)的扩容产生储集能量作用，使下一道压力级有充足的蒸汽质量增加传递能量(运动中的质量与能量成正比)。逐级地增加工作介质的质量能是本结构又一特殊选择。

本发明对蒸汽流体的减阻，加速作用主要是采用冷凝蒸汽，使其体积收缩降压，它与叶片式汽轮机用扩大容积的膨胀减阻加速的工作原理完全相反，选择使工作介质产生收缩不膨胀的工作原理，才可以有效地回收蒸汽余热再生循环利用。定子(1)采用内壳(5)与外壳(6)套筒结构密封装置用冷凝水(23)做冷却剂起到两个作用。其一，冷却高温蒸汽使其体积收缩产生压力降，达到减少流阻也加速流体作用。其二，高温蒸汽经过内壳(5)和汽孔盖(7)的金属大面积的热传导和热辐射产生热交换作用，使蒸汽余热被回收利用提高达30％～40％(循环利用率)。

装置所产生的巨大扭矩力是来自整个装置全部倾斜偏心孔的蒸汽偏心压力的总和，而装置所产生的功率(即旋转机械能)是来自蒸汽高压产生高流速的冲击作用和反作用的动能传递的能量总和。

综上所述，本装置属新的外燃热动力机。

显而易见，采用定子(1)的内壳(5)的内表面与转子(10)的外表面相一致，加工成同一锥度的圆锥筒结构，同一锥度的作用在于单配磨合后，有锥度可调节最佳密封间隙，消除机械加工和装配公差造成的不同心度误差。设轴向同一锥度有利于调节定子与转子的密封间隙，提高密封性能。因采用多(6～20)压力级结构，故充分提高蒸汽的排汽余速能量的利用率，提高机械功能。定子采用多孔结构是增加偏心压力和增大容量的需要。在不影响焊接汽孔盖的情况下，进、排汽孔的圆周分布角度选择4～30°。全部压力级的每道汽孔在定子内壳的外表圆周面上的(轴向)中心线都得一致。喷咀排汽孔与中心垂直线构成倾斜坡度为35～65°的偏心角。

转子(10)采用多个小汽缸(9)的方案增加了有效受力面积，提高了功率，小汽缸(9)的(轴向)压力级数与定子(1)压力级数应相同，每个压力级的小汽缸(单、双数)不限，每级之间汽缸的(轴向)中心线不必对齐，可增加扭矩力方位。每道压力级小汽缸(9)的(径向)分布角度为2～25°，圆周均布，每个小汽缸(9)内的(轴向)两边缸面与轴向线成90°，每个小汽缸(9)内的(径向)的缸面与后倾斜角度为20～45°，可减少蒸汽进、出缸时产生涡汽损失，每个小汽缸(9)内的(径向)前的缸面向后倾斜角度为5～15°，有利接受蒸汽冲击力，减少转子(10)运转时产生的离心力作用。

采用冷凝水与蒸汽对流作用提高了热交换率和冷却效果，并提高出水温度，降低出汽温度，增加余热利用值。

采用汽孔盖(7)的截面积的容量大于进、排汽孔(4)的截面积和容量2～10倍，有利于蒸汽在(轴向)做加速流动和增加质量能集储作用，用汽孔盖(7)结构可扩大散热面积，增加冷却效果。

定子(1)和转子(10)都采用整体结构，其作用是提高金属在热应力作用下的抗拉，抗剪强度，提高金属的机械性能。定子(1)和转子(10)采用不磨擦动配合，使装置主体不产生机械磨损，有利提高使用寿命。

各压力级之间和第一级及最未级都设有汽封圈(26)，提高了汽体密封作用。

Claims (4)

1.无叶汽轮机，包括定子、转子、端盖、主轴、轴承、进汽室、排汽室、螺栓、脚架和强筋片，主轴与转子用轴键静配合，主轴两端与轴承接成动配合，两端盖由螺栓螺固，其特征在于：定子由带锥度的内壳、外壳双层套合而成，内外壳之间为冷凝水室，冷凝水室设进排水管，内壳呈圆锥管状，内表面的轴向倾斜角为3～30°，内壳的圆周轴向设有均匀分布的6～20道有相同间隔的进汽孔和排汽孔，其径向相隔开的分布角为4～30°，汽孔方向相同并与径向中心垂直线成35～65°倾斜偏心角，与轴向中心线成90°；每一个排汽孔与下一级进汽孔相接，第1道的进汽孔与进汽室相接，末道的排汽孔与排汽室相接，每一对相邻的进汽孔和排汽孔上设汽孔盖，进汽室设进汽口，排汽室设排汽口；转子呈圆锥柱体状并套于定子内壳，转子与定子同锥度动配合，转子圆周外表面的轴向倾斜角与定子内壳内表面的倾斜角相同，在转子轴向上设道数与定子汽孔道数相同，而径向隔开分布角度为2～25°的汽缸，汽缸内的径向方向相同并与定子汽孔方向一致，向后的汽缸面向后倾斜角为20～45°，前汽缸面径向向后倾斜角为5～15°，汽缸内轴向两面与轴心线成90°。

2.如权利要求1所述的无叶汽轮机，其特征在于定子内壳内表面的轴向倾斜角为8～12°，进汽孔和排汽孔为12～16道。

3.如权利要求1所述的无叶汽轮机，其特征在于定子内壳的圆周径向相隔开的分布角度为10～15°，汽孔方向与径向中心垂直线成45～50°倾斜偏心角。

4.如权利要求1所述的无叶汽轮机，其特征在于转子上的汽缸径向隔开分布角度为5～10°，向后的汽缸面向后倾斜角为35～40°，前汽缸面(径向)向后倾斜角为5～10°。

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