CN1070029A - 带有鼓形转子的冲动式透平及其改进 - Google Patents

Abstract

一种冲动式蒸汽透平，包括一个转了1和一个具 有许多级5的定子2，每一级5由一个带有静叶栅 10的隔板构成，该静叶栅10后面有动叶栅7，该动 叶栅7包括一组随转子转动的叶片8，所述的静叶栅 10在每一级5的基部维持大于85％的压力降，该透 平的特征在于，上述叶片8直接安装在转子1上，而 不装在圆盘上。这种透平的改进是减少了二次流的 损失。效率可以提高几个百分点。

Description

本发明涉及一种冲动式蒸汽透平，它包括一个转子和一个定子，并具有许多级，每级由静叶栅构成，静叶栅后面是随转子转动的动叶栅，所述静叶栅每级压降维持大于85%。

在普通的冲动式透平中，它们的动叶栅装在固定于转子的圆盘上。

由于转子动态性能的原因，（参见图1），必须要求转子具有足够的刚度，这就要求转子的轮毂直径DR足够大。相反，出于效率的原因，需要这一直径尽可能小，减少该直径是为了减少在静与动部件之间的泄漏截面，由此减少其本身的泄漏。这两条准则使得确定的转子直径DR应兼顾这两方面的要求。

在圆盘没有释放它的机械性能的条件下，为了能把动叶栅装在转子圆盘上，需要在叶片基部和转子轴之间留有足够的空间，在这种条件下，当直径DR确定之后，叶片基部直径DB有一个最下限。

另外，为了提高效率（参见图2）增加长径比Z（即：叶片顶部直径Ds与叶片基圆直径DB之比）是有利的。Z值（对于给定的叶片宽度）愈大，由二次流（e）引起的损失愈低。然而一旦机器的运行条件确定之后，蒸汽流动截面就确定了，这一截面与DB²（Z²-1）成正比。因此很明显，为了提高效率，DB应当尽可能地减少，直至它的最低限。

另外，为了提高效率，需要尽可能地减少动部件和静部件（f，f′）之间的所有泄漏。

特别是，通过静叶栅下面的蒸汽泄漏（f′）会使效率大大降低。这些蒸汽不仅耗功，而且由于静叶栅圆盘下游的蒸汽的存在，使蒸汽径向扩散到主汽流中使效率降低。

有时，有比较低的压力（P）最终作用在转子和动叶栅上，使一平衡活塞的直径比机器头部所给的直径DR稍大，因此，也引起效率少量下降。

同样，这种情况也存在于“反动式”蒸汽透平中，在这种透平中，横穿一级的压降，实际上在静叶栅和该级的动叶栅之间分成相等的两部分。

如果动叶片直接装在转子轴上，叶片基圆直径DB就会接近于轴的直径DR（鼓形转子）。

由于横穿动叶栅的压降在该叶栅上的推力很高，这样必然导致在机器头部需要设置大直径的平衡活塞来平衡此推力，而该活塞直径就需尽可能与Ds（动叶片顶部直径）一样大。这样便大幅度地减少了效率。

可以看出，由于平衡活塞的大直径而产生了泄漏，所以，推力问题不利于反动式透平的效率提高。

在反动式透平中，利用减少基圆直径DB来减少泄漏是不可能的。

这样运转会导致级数增加，从成本观点和从组件纵向尺寸观点考虑是不可接受的，尤其象高压组件，更难于接受。

最后应当看到，在反动式机械中，也就是鼓形转子机械中，经过静叶片下面的泄漏，没有象带有圆盘的冲动式机械那样所产生的干扰作用。

本发明能够减少冲动式透平中的基圆直径DB，而且不再用圆盘来固定动叶片，而是象一个反动式透平那样将动叶片直接装在转子上。

本发明冲动式透平的特征在于，动叶片直接装在转子上，因此，使得基圆直径DB和轴径DR相差很小。

在本发明的透平中，在膨胀区，获得了延长得很好的蒸汽流线，因此提高了它的气动效率。

这对于所有流线型冲动式透平在机器头部有利于获得较低的质量/容积的比值，尤其对于高压流线型亚临界透平的低质量流量，以对对高压流线型超临界透平的任何质量的流量都是很有利的。

本发明的透平，当减小基圆直径DB时，需要增加级的数量。

然而，应当看到级数增加并不伴随有流线长度的增加。

这是因为：

对于动叶片保留同样的宽度（在相等的应力水平上）;

由于△P的减少和力的作用面积的减少，因此，隔板厚度减少了;

转子圆盘省略了，而在所述圆盘上钻孔以便装配动叶片所需要的附加轴向长度也取消了;

圆盘和隔板之间所需的间隙也取消了。

另外，由于流线基圆直径的减小使得所有组件的横向尺寸明显地减少了。

这种减少，在高压组件中优点很多，使得在定子部件上容易得到需要的机械强度。

以下将通过附图并参照最佳的但并非受其限制的实施例对本发明给以更详细的描述。

图1是带有一鼓形叶轮转子的普通冲动式透平的截面图。

图2表示了图1透平的一级。

图3是本发明带有一个鼓形叶轮转子的冲动式透平的截面图。

图4表示了图3透平的一级。

图5是本发明冲动式透平一级的截面图，是本发明的第一个改进。

图6是本发明冲动式透平一级的截面图，表示了本发明的第二个改进。

图7是具有和图6相同的改进的普通冲动级的截面图。

图8是本发明冲动式透平一级的截面图，是本发明的第三个改进。

图9是冲动式透平一级的透视图，图中表示了在带有圆盘的转子上的静叶栅的出口处（向量倾斜α：角）动叶片顶端所产生的泄漏。

图10是图7所示鼓形转子的级的透视图，表示来自隔板轴向通孔基部处的泄漏到动叶片顶端部的泄漏。

图11是本发明冲动式透平一级的截面图，表示了本发明的第四个改进。

图12是图10的一个圆柱状截面图。

图13表示了根据本发明所得到的效率增益图。

图1和图2表示了普通的冲动式透平，该冲动式透平包括一转子1和一含有内定子3和外定子4的定子2，并且有许多级5。每一级5由固定于内定子3上的隔板构成，而内定子3的后面有动叶栅7。

动叶栅7包括装在一个圆盘9上的若干单独的动叶片8，该圆盘9固定在转子1上。

隔板6包括有若干单独的静叶片20构成的静叶栅10，这些静叶片20面对动叶片8配置。叶片20支撑着一个装有汽封装置12的环11，由此形成转子轴1的密封。

另外，在动叶片8的顶部装有一汽封装置13，形成转子/定子之间的密封，也对定子提供了热保护。

动叶片8的根部备有销齿14，用销15把销齿14固定在圆盘9上。

转子轴1直径DR综合考虑了需要其足够大以满足转子刚性和需要其直径尽可能小以减少泄漏两者间的要求而确定。

为把叶片8装在圆盘9上而无需圆盘来释放它的机械性能，在转子轴1和叶片8根部之间需留有足够大的间隙。在这种条件下，一旦确定了DR，随之DB（叶片的基圆直径）的下限也就确定了。

在冲动式透平中，静叶栅10在一级的基部维持压降85%-95%，动叶栅7维持剩余部分。

图3和图4表示的是本发明的冲动式透平，图中与图1、图2中相同的零件用相同的标号表示。

这种透平同样也包括后面有动叶栅7的静叶栅10，该静叶栅10在一级的基部维持有85%-95%的压降，同时剩余压降由动叶栅7维持。

每个动叶片8直接装在转子1上（一个鼓形转子），而不装在圆盘9上。结果，DB′（叶片8的基圆直径）很接近DR′（转子轴径），由于DB′小于DB，所以汽流通道高度H增加并提高了冲动式透平的效率。

尽管增加了静叶栅10的高度，但受到压力作用的隔板面积明显地比普通透平少了（内环11′减少到只是一个圈，外环直径也明显减少了）。

另外，由于该设备有许多级，所以横跨过整个隔板的压降△P被减少了。

因此相对于普通隔板来说，减少隔板的厚度是可能的。

这样，就不再需要在圆盘之间提供任何辅加的轴向长度，如不再象普通透平那样为了对圆盘钻孔而要留有空间。同样地，也不再需要在隔板和圆盘之间提供任何如过去人们所保留的隔板倾斜所需的空间那样的间隙，这样，间隙J1可以变小。

比较图1和图3可以看出，轴径DR′和转子直径DR基本上相等。

相比之下，DB′小于DB，本发明透平的级数是根据比值（DB）²/（DB′）²增加的。所以这种级数的增加并没引起透平长度的增加。鉴于此，因而每一组件的总长度保持相同。

所确定的基圆直径DB′小于DB，而内定子直径DI′和外定子直径DE′也小于一台普通冲动式透平相应部位的直径DI和DE。

本发明的透平比普通透平表现出的优点在主结构上。

利用本发明的透平，对于透平的超临界高压（HP）组件的效率可以增加5%，对于亚临界高压（HP）组件的效率增加3.5%。

图5表示本发明的一个改进，动叶片8的根部16（即根部14′的凸出转子1外面的部分）和隔板6的内环11′的外端部上有倒角，所以通过汽封装置12的泄漏基本轴向地引入主汽流中。在这种情况下，在主汽流中，泄漏所引起的干扰很小。这样就额外地增加了效率。

应当看到，倒角17没有增加间隙，这间隙与图4透平中的间隙J1相等。

在图6表示的本发明另一个改进中，在每一个动叶片8的根部16上沿平行于转子1轴线方向钻一个孔18。

孔18的汽流截面足够大，能够使隔板6下面泄漏的全部流量与主汽流以较小的摩擦一起通过该孔。从而，消除了二次流的干扰和涉及该处的损失。

在叶片8的根部16上钻孔18没有什么困难。另外，能够对每组动叶栅7选择最佳孔径。相比之下，在有圆盘的冲动式透平中（图7）钻圆盘的孔是困难的，在给出轴径或销齿深度的情况下再给圆盘钻孔总是不可能的。此外，这些孔是用一单独的钻头来钻的，这就意味着钻出的孔径都相同，因此，不可能选择最佳尺寸。

再有用上述方法设计的结构，孔18的尺寸妨碍了它们有一个最佳进口圆比R/φ（其中R＝在孔和圆盘表面之间的对流半径，φ＝孔径），也不会有最佳比L/φ（L＝孔的长度）。

为了保证孔的流量系数基本上不受流体冲角的支配，需要使比值R/φ大于0.5，比值L/φ大于2。

所设计的这些孔18，改善了换汽流动状况和在圆盘上的压力分布。一个孔的上游端和下游端之间的压差还不能准确地确定（即使上游和下游间的叶片侧面的压力差在叶片基部已经准确地测定出来）。这种不确定因素对通过孔的流量和作用在圆盘上推力都有影响。

在这种情况下，很难对平衡孔18的尺寸作出最佳的设计。也就是说，实际上所达到的效率增益比起理论上可达到的最大增益少得多。

然而，本发明的动叶栅具有以下优点：

进口圆比可取最佳值（R/φ约为1）;

蒸汽在进口处的冲角是已知的，另外，对流过该孔的蒸汽流量的影响较小;

在该孔端部上游和下游间的压差可圆满地确定（由叶片基部的反作用程度来确定）;

比值L/φ可取最佳值;

在这种条件下，确定这些平衡孔的尺寸是不困难的，它们的效率也接近理论最大值。

另外，端部推力的不稳定性也不会增加。

最后，所有研究过程表明，满足孔18的尺寸，不会降低叶片8根部16的机械性能。

图8到图10表示了本发明的另一个改进，经过每一定子叶片钻一个孔19，并使孔19延伸到孔19′，孔19′轴向延伸并通过圆环。从隔板6的汽封装置12中第一室21所获得的泄漏蒸汽，轴向引到动叶片8的汽封装置13的进口，在一级中所运用的压力级组为：P₁＞P₂＞P₃＞P₄＞P₅。

在这种情况下，隔板6基部的一部分泄漏引到了动叶片8的顶端部，从而使从动叶栅7里工作流体的主流量所减去的所有流量能够减少，因而也可以说，增加了上述工作流体的流量，提高了效率。

此外，本系统还有一在一些机器中起决定作用的优点。由于利用单个转子所获得功率的增加，所以在达到满负荷之前，该机器可能会出现不稳定性。这些不稳定性是由于作用在叶片周围的并由静与动部件之间的流体泄漏所引起的横向力所产生的（见图9）。

已经表明，在试验机上和在实际机器上（离心压缩机和透平），当穿入汽封装置的流体拥有大量的旋转分量（F）时，这些作用力是不稳定的，当流体轴向穿入汽封装置时，如图中F′所表示的这些作用力便是稳定的。

由于这个改进，汽封装置13进口处的蒸汽流不再出现在关于静叶片的出口角α₁处，而沿轴向产生。

因此，穿入动叶片的汽封装置13中的绝大部分流体流没有旋转分量，这种改进的结果是，使先前的不稳定流变成了稳定流。

虽然，鼓形转子的弯矩比圆盘转子的弯矩大，但是这种鼓形转子的改进也能使高压（HP）组件的稳定系数得到有效地提高，尤其对超临界机器来说可以使上述这种稳定系数大大提高。

图11和图12表示了本发明的另一个改进，在隔板6的汽封装置12的若干最后室23中的一个和每组连续的静叶片20的喉部24之间钻一倾斜通道22。由于压差的原因，通过静叶栅的所有泄漏重新引入蒸汽通道25。

这样，也能够将在静叶栅10和动叶栅7之间的间隙中的少量汽流24从动叶栅的上游吸入。

在这种情况下，隔板6基部处的泄漏不会干扰主汽流，并且改善了了穿过静叶栅10的通道中的汽流性能（通过喷吹边界层）。

本系统沿通道25利用的压力级组如图12所示：P₁＞P₂＞P₃＞P₄。

图5、图6、图8、图10及图11所示的改进可以单独使用，也可以同时联合使用，其最佳组合形式如下：

图5和图8的改进;

图6和图8的改进;或：

图8和图11的改进;

在高压（HP）组件的亚临界（180巴）和超临界（＞200巴）的冲动式透平中，本发明使以下几方面成为可能：

已研究了仅用一个鼓形转子（参看图13），用量（A）的1%至4%（取决于机器的功率和所选择的热力循环）可提高高压（HP）流线的气动效率;

鼓形转子简化了装置的安装，能够减少由于隔板8的直径DR′处的蒸汽泄漏造成的气动损失，并能够减少从动叶栅按上述的方式（经过喷嘴叶片钻孔;经过下环钻孔;平衡孔;下环倒角）重新引入到上游的泄漏造成的气动损失。在冲动式透平中，由重新引入泄漏所产生的气动损失是非常高的，这是因为横跨静叶栅压降很大的缘故。这种气动损失可在组件损失的1%到2%的范围内，本文所描述的设备能使这些损失通过量B减少约70%（图12）;

使安装简化的鼓形转子（在隔板的叶片上钻孔）能使因蒸汽力所引起的转子不稳定性减少（参见图9和图10）;

横向尺寸和组件质量能够减少;

易于保证静部件抗压;

达到上述目的同时保持了组件纵向尺寸;

最后，利用鼓形转子保持了冲动式透平的原理，并具有以下优点：

对于给定长度的转子，冲动式透平的基圆直径比反动式机器的基圆直径小（两种机器都用鼓形转子）。另外，在蒸汽通道中获得了效益增益，如上所述，并且冲动式透平转子上有很小的推力，这意味着，平衡活塞直径比反动式透平小得多。这一点对于确定的很高压力的机器来说，可以将效益增益提高20%。

Claims (5)

1、一种冲动式蒸汽透平，包括一个转子(1)和一个定子(2)，该定子具有许多级(5)，每一级由一个带有静叶栅(10)的隔板构成，静叶栅(10)后面有动叶栅(7)，动叶栅(7)包括一组随着转子旋转的叶片(8)，所述静叶栅(10)在每一级(5)的基部处维持大于85%的压力降，该透平的特征在于：所述的动叶片(8)直接装在转子(1)上。

2、按照权利要求1所述蒸汽透平，包括在隔板（6）基部的泄漏，其特征在于所述的泄漏实际上轴向地引到主汽流中。

3、按照权利要求1所述的蒸汽透平，其特征在于，装在转子（1）上的每一个叶片（8）的根部（16）钻有一孔（18），该孔（18）沿着基本上平行于转子轴线的方向延伸，并保持根部（16）两侧互相联通，孔的进口位于隔板（6）基部附近。

4、按照权利要求1至3中的任何一个所述的蒸汽透平，其中，隔板（6）的基部包括一个汽封装置（12）和一组动叶片（8）的顶端，所述的汽封装置（12）包括一组连续的室，所述的动叶片（8）的顶部包括一汽封装置（13），该蒸汽透平的特征在于，若干个静叶片（20）和隔板（6）配有若干个孔（19、19′），该孔（19、19′）吸收来自隔板（6）基部的汽封装置（12）的第一室（21）的泄漏蒸汽并将所述蒸汽轴向引入动叶片（8）的汽封装置（13）的进口。

5、按照权利要求1所述的蒸汽透平，其中静叶片（20）的根部装在隔板（6）的环（11′）上，环（11′）包括一由一组连续室所构成的汽封装置（12），其特征在于，所述的环（11′）包括若干个将主汽流与若干最后室（23）之一连通的倾斜通道（22），由此，隔板（6）的基部处的泄漏重新切向地引入静叶片栅（10）中的两个相继叶片（20）之间所形成的通道（25）中。

Images