CN109386317B - 蒸汽轮机与燃气轮机以及其末级结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种蒸汽轮机或燃气轮机以及其末级结构(110)，其特征在于，包括：一对动叶片组，其包括：一第一动叶片组(112)，其包括复数个第一动叶片，以及一第二动叶片组(114)，其包括复数个第二动叶片，所述第二动叶片与所述第一动叶片镜面对称；一对静叶片组，其包括一第一静叶片组(111)，其包括复数个第一静叶片，以及一第二静叶片组(113)，其包括复数个第二静叶片，所述第二静叶片与所述第一静叶片镜面对称；一分流装置(20)，使得流过所述第一动叶片组的至少部分流体的轴向流向为顺着蒸汽轮机中的气流方向，以及流过所述第二动叶片组的至少部分气流的轴向流向为反向于所述蒸汽轮机中的气流方向。

Description

蒸汽轮机与燃气轮机以及其末级结构

技术领域

本发明涉及一种蒸汽轮机或燃气轮机，特别是蒸汽轮机或燃气轮机的末级结构。

背景技术

在蒸汽轮机的工作循环中，蒸汽的体积流量从进入蒸汽轮机开始，随着蒸汽轮机的级数逐级递增。为了保证这些蒸汽有足够的的流动空间，轮机的叶片长度也沿着流道的流动方向逐渐增长。蒸汽在汽轮机内做功伴随着压力和温度的降低，体积的膨胀，由于最后一级的蒸汽压力最低，所需的容积流量也最高，因此末级叶片是汽轮机各级叶片中最长的一级，承受最大的离心力载荷和由此产生的应力。因此，在蒸汽轮机的最后一级，通常轮机的叶片长度较大，从而导致下列问题：由于材料强度的限制，最后一级的叶片会有峰值转速的限制，由此会限制蒸汽轮机的转速；此外，最后一级的流动区域非常大，由此产生较大的轴向推力，其会降低推力轴承的寿命；过于长的叶片还会有振动问题。若采用更好地材料，可以解决叶片的峰值转速问题，带来更高的转速。但是无法解决推力轴承寿命和叶片振动的问题。

发明内容

为了解决上述一个或多个问题本发明首先旨在提供一种蒸汽轮机或燃气轮机的末级结构，其特征在于，包括：

一对动叶片组，其与蒸汽轮机或燃气轮机的轴固定连接，并包括：

一第一动叶片组，其包括复数个第一动叶片，以及

一第二动叶片组，其包括复数个第二动叶片，所述第二动叶片与所述第一动叶片镜面对称；

一对静叶片组，其包括

一第一静叶片组，其包括复数个第一静叶片，以及

一第二静叶片组，其包括复数个第二静叶片，所述第二静叶片与所述第一静叶片镜面对称；

一分流装置，使得流过所述第一动叶片组的至少部分流体的轴向流向与流过所述第二动叶片组的至少部分气流的轴向流向相反。或者说使得流过所述第一动叶片组的至少部分流体的轴向流向为顺着蒸汽轮机中的气流方向，以及流过所述第二动叶片组的至少部分气流的轴向流向为反向于所述蒸汽轮机中的气流方向。

通过上述实施方式，使得沿着蒸汽轮机或者燃气轮机的轴流动的流体或者工质在末级被分成两部分，其分别流过第一动、静叶片组和第二动、静叶片组，这样末级的两组叶片分别承受的容积流量降低，而且由于其第一动、静叶片组和第二动、静叶片组镜像对称，受力更好，对轴的推动作用也更稳定。

根据一种有利的实施方式，所述分流装置包括：一个外壳部分；以及一个内壳，其中在所述外壳部分和所述内壳部分之间形成第一流体通道，其连通次末级叶片组和第一动叶片组与第一静叶片组，并且连通次末级叶片组和第二动叶片组与第二静叶片组；在所述内壳的内部形成一个第二流体通道，从第一动叶片组与第一静叶片组流入的第一部分流体和从第二动叶片组与第二静叶片组流入的第二部分流体通过第二流体通道流出所述蒸汽轮机或燃气轮机。

更为有利的是，所述第一流体通道位于所述内壳与所述外壳部分之间。通过这种设计方案，能在有限的安装空间内，布置分流装置，从而实现本发明的技术方案。

根据一种有利的实施方式，所述外壳部分是所述蒸汽轮机或燃气轮机的壳体的一部分，其中其包括：一个第一壁，其与所述次末级静叶片的顶部连接，使得所述次末级动叶片与次末级静叶片形成所述分流装置的流体入口；一个第二壁，其与所述第一壁对置，并通过一个气体密封装置与所述蒸汽轮机或燃气轮机的轴连接；一个第三壁，其在所述第一壁与所述第二壁之间延伸。

根据一种有利的实施方式，所述内壳上设有一个内壳开口，其中所述内壳开口与所述蒸汽轮机或燃气轮机的流体出口连通。这种设计使得流道的长度最短，减少排气背压。

根据一种有利的实施方式，所述内壳的一个第一内壳壁与第一末级静叶片组的顶部连接；所述内壳的一个第二内壳壁与所述第二末级静叶片组的顶部连接。通过这种设计方式，能够更好地利用空间对内壳进行固定。

根据一种有利的实施方式，在所述内壳的内部设有一个导流件，其设置在所述第一末级动叶片组和第二末级动叶片组之间。

更为有利的是，所述导流件以能够相对转动的方式支承在所述轴上，并将所述第二流道分隔为：一个第一支路，流过所述第一末级动叶片组的第一流体通过该第一支路流向所述出口；以及一个第二支路，流过所述第二末级动叶片组的第二流体通过该第二支路流向所述出口。通过设置该导流件使得从第一末级动叶片组进入到第二流道的气流与通过第二末级动叶片组进入到第二流道的气流之间不会交叉形成湍流，使得气流流出蒸汽轮机和燃气轮机更为顺畅。

本发明的另一个目的是提供蒸汽轮机或燃气轮机，其特征在于，设有如上述各项实施方式中任意一项所述的末级结构。设有这种末级结构的蒸汽轮机或者燃气轮机，由于末级叶片的长度大大减少，由此可以采用成本更低的材料进行制造，此外，由于叶片的峰值转数得以提升，所以蒸汽轮机和燃气轮机的转速也可以进一步提升。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1示意性地示出了依据现有技术的汽轮机的末级的内部结构及局部放大图；

图2示意性地示出了依据本发明的一种实施方式的汽轮机的末级结构的局部立体图；

图3示意性地示出了依据本发明的一种实施方式的汽轮机的末级结构沿剖切线立体剖视图；

图4示意性地示出了依据本发明的一种实施方式的汽轮机的末级结构沿剖切线II-II的剖视图；

图5示意性地示出了依据本发明的一种实施方式的汽轮机的末级结构沿剖切线IV-IV的剖视图。

附图标记列表：

10 轴

20 分流装置

110’；110 末级结构

111 第一末级静叶片组

111’ 末级静叶片

112 第一末级动叶片组

112’ 末级动叶片

113 第二末级静叶片组

114 第二末级动叶片组

120 次末级

210 外壳部分

211 第一壁

212 第二壁

213 第三壁

214 第四壁

220 内壳

221 内壳开口

231 第一隔板

232 第二隔板

240 导流件

250 流体入口

260 流体出口

271 第一流道

272 第二流道

273 第二流道第一支路

274 第二流道第二支路

280 气封

291 第一固定点

292 第二固定点

300 蒸汽轮机或燃气轮机的壳体

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

图1示意性地示出了一种依据现有技术的蒸汽轮机或者燃气轮机的末级叶片110’的部分内部结构及其局部放大图。在图1中可以看到，该末级叶片110’的动叶片112’(即该汽轮机的最后一级动叶片)被设计地较长，其与汽轮机的轴10固定连接。该末级叶片110’的动叶片112’对应的静叶片为111’。在流体通过动叶片112’和静叶片111’前要首先经过次末级动叶片122以及对应的次末级静叶片121。图中的箭头示意性地示出了流体大致的流动方向。需要理解的是，在蒸汽轮机或者燃气轮机流体的流动可以分解为轴向和径向的流动。在本发明中，将流体从进入蒸汽轮机或燃气轮机的壳体内，沿着轴10从初级叶片开始朝向末级叶片的总体上的流动方向称为蒸汽轮机或燃气轮机中流体或工质的流动方向。

如发明内容所述，为了解决末级叶片由于长度较长，从而导致汽轮机的转速受限的问题，本发明提出了一种全新的末级结构。本发明的主要技术为将流经末级的流体进行分流，并将传统的单级式末级叶片设计为两组末级叶片，其分别只需要经受部分的末级流体的冲击，从而可以将这两组末级叶片设计得比传统的单级的末级叶片小。为了实现这个方案，需要对末级进行全新的设计。图2示意性地示出了该末级结构的局部。如图2所述，其包括蒸汽轮机或燃气轮机的壳体200的一部分。其中，图2中的实心箭头示意性地示出了蒸汽轮机或燃气轮机中流体或工质的流动方向。图3进一步地示出了沿着图2所示的剖切线II-II所示的该末级结构110的立体剖视图。

如图3所示，依据本发明的末级结构110被设计为包括一对末级动叶片组，其与蒸汽轮机或燃气轮机的轴10固定连接，并包括一个第一末级动叶片组112，其由复数个第一末级动叶片组成；以及第二末级动叶片组114，其由复数个第二末级动叶片组成，所述第二动叶片与所述第一动叶片呈镜面对称。此外，该末级结构110还包括一对末级静叶片组，其包括一个与所述第一末级动叶片组112协调工作的第一末级静叶片组111，其由复数个第一末级静叶片组成，以及一个与所述第二末级动叶片组114协调工作的第二末级静叶片组113，其由复数个第二末级静叶片组成，其中所述第二末级静叶片与所述第一末级静叶片镜面对称。在本发明中，将第一末级动叶片组112和第一末级静叶片111形成的一对叶片组称为第一末级叶片组合；将将第二末级动叶片组114和第二末级静叶片113形成的一对叶片组称为第二末级叶片组合。

末级结构110还包括一个分流装置20，其能够使流过所述第一末级动叶片组112的至少部分流体的轴向流向为反向于蒸汽轮机或燃气轮机壳体中的气流大方向，以及使流过所述第二动叶片组114的至少部分气流的轴向流向保持为所述蒸汽轮机或燃气轮机壳体中的气流方向。或者说，该分流装置，将在蒸汽轮机或燃气轮机的壳体内流向末级的流体的一部分分流出来，并使其以反向于来流的方向冲击第一末级动叶片组112。由此，由于第一末级动叶片组112和第一末级静叶片组111相对于第二末级动叶片组合114和第二末级静叶片组113呈镜像对称，当第一末级动叶片组111和第一末级静叶片组111被逆向于蒸汽轮机和燃气轮机中的流体方向的流体带动时，其进一步帮助轴10朝原有的转动方向进行旋转。也就是说，虽然依据本发明的这种实施方式将传统设计中的末级叶片被设计为两组镜面对称的末级叶片，而且流体在末级被分流为两路流过两组末级叶片组合，但其对轴10的做功并未收到影响。此外，由于第一末级叶片组合和第二末级叶片组合分别承受了部分的动能，因为他们的长度能够显著缩短，进而可以承受更高的轴10的转速，能够进一步提升汽轮机的效率。

分流装置20可以是该蒸汽轮机或者燃气轮机的壳体300的一部分，其可以有多种实现形式，只要其能够将末级的流体分成的两路。本发明特别地提出了一种优化的设计方案。结合图2、图3和图4所述，该分流装置20包括一个外壳部分210以及一个内壳220，其中内壳220被外壳部分210包围。其中可以看到外壳部分210可以是蒸汽轮机或者燃气轮机的壳体300通过在次末级的静叶片组121处增加一个隔板211形成。因此，在本实施方式中该外壳部分210可以看做由一个第一侧壁(隔板)211、一个与第一侧壁211对置的第二侧壁212、一个顶壁213(或者说第三壁213，其可以是蒸汽轮机或者燃气轮机的壳体300的轴向延伸的一部分)和一个底壁214(或者说第四壁214)。在本实施例中，第一壁211由于与次末级静叶片组121的顶部或者说静叶外环连接，从而形成经由次末级静叶片组121与次末级动叶片组122的流体入口250。蒸汽轮机或者燃气轮机的轴10穿过第二壁212伸出，其中在第二壁212的轴孔与轴10之间设有气封280。第三壁213连接第一壁211与第二壁212。第四壁214在本实施例中位于轴10的底部，并设有一个大的流体出口260，用于功质或者流体从蒸汽轮机或者燃气轮机中流出。

内壳220被设置在外壳210的内部，如图3、4所示。其中内壳220与第一末级静叶片组111以及第二末级静叶片组113的顶部(静叶外环)连接，从而形成如图4所示的第一流道271与第二流道272。其中第一流道是外壳部分210与内壳220之间形成的流道；而第二流道是内壳220的内部流道。如图所述，流体从流体入口250进入第一流道271，其中一部分流体直接流过第二末级动叶片组114和第二末级静叶片组113进入第二流道272，从而带动第二末级动叶片组114；另一部分流体则在第一流道271的导向下以逆向于流体在该蒸汽轮机或燃气轮机中的流动方向流进第二流道272，并带动第一末级动叶片组112。由于流过第一末级动叶片组112和第二末级动叶片组114的流体相对于传统的末级叶片大致减半，因此，可以将第一末级动叶片组112和第二末级动叶片组114设计得更短。同时，由于第一末级动叶片组112和第二末级动叶片组114是镜像对称的设计，因此第一末级动叶片组112也在流体的作用下带动轴10朝其转动方向转动，因此并不影响蒸汽轮机或燃气轮机的效率。

在图4中还可以看到，所述内壳220上设有一个开口221，其中所述开口221与所述蒸汽轮机或燃气轮机的流体出口260连通。所述内壳220的一个第一内壳壁与第一末级静叶片组111的顶部连接；所述内壳220的一个第二内壳壁与所述第二末级静叶片组113的顶部连接。在内壳220与外壳部分210之间还通过一个第一隔板231和第二隔板232在轴10的下方使得第一流道被封闭在外壳部分210内壳220之间，与第二流道272分隔开。

如图所述，在所述内壳220的内部还设有一个导流件240，其设置在所述第一末级动叶片组112和第二末级动叶片组114之间。该导流件240以能够相对转动的方式支承在所述轴10上，并将所述第二流道272分隔为一个第一支路273，流过所述第一末级动叶片组112的第一流体通过该第一支路273流向所述出口260；以及一个第二支路274，流过所述第二末级动叶片组114的第二流体通过该第二支路274流向所述出口260。如图所示，该导流件240在本实施例中具有近似“人”字形的剖面，由此可以优化在第一支路273和第二支路中274的气流流动。

图5进一步示出了示意性地示出了依据本发明的一种实施方式的汽轮机的末级结构沿剖切线IV-IV的剖视图。其可以更为清楚的看出外壳部分210的流体出口260的设计以及内壳220的内壳开口221的设计。通常将流体出口260与内壳开口221设计在轴的同一侧，以减小流体流出的背压。此外，在本实施方式中，内壳220的部分与外壳部分210在一个第一固定点291和一个第二固定点292处固定连接，由此可以通过外壳部分210相对于地面的固定方式，省去对内壳220的支承。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.蒸汽轮机或燃气轮机的末级结构(110)，其特征在于，包括：

一对动叶片组，其与蒸汽轮机或燃气轮机的轴(10)固定连接，并包括：

一第一动叶片组(112)，其包括复数个第一动叶片，以及

一第二动叶片组(114)，其包括复数个第二动叶片，所述第二动叶片与所述第一动叶片镜面对称，其中，所述第一动叶片组(112)与所述第二动叶片组(114)镜面对称；一对静叶片组，其包括

一第一静叶片组(111)，其包括复数个第一静叶片，以及

一第二静叶片组(113)，其包括复数个第二静叶片，所述第二静叶片与所述第一静叶片镜面对称；

其中，所述蒸汽轮机或燃气轮机的次末级叶片组位于所述动叶片组和所述静叶片组的上游；

一分流装置(20)，使得流过所述第一动叶片组的至少部分流体的轴向流向为反向于从初级流向末级的流向，并且使得流过所述第二动叶片组的至少部分气流的轴向流向保持为从初级流向末级的流向。

2.根据权利要求1所述的蒸汽轮机或燃气轮机的末级结构，其特征在于，所述分流装置(20)包括：

一个外壳部分(210)；以及

一个内壳(220)，其中

在所述外壳部分(210)和所述内壳(220)之间形成第一流体通道(271)，其连通蒸汽轮机或燃气轮机的次末级叶片组(120)和第一动叶片组(112)与第一静叶片组(111)，并且连通次末级叶片组(120)和第二动叶片组(114)与第二静叶片组(113)；

在所述内壳(220)的内部形成一个第二流体通道(272)，用于从第一动叶片组(112)与第一静叶片组(111)流入的第一部分流体和从第二动叶片组(114)与第二静叶片组(113)流入的第二部分流体通过第二流体通道(272)流出所述蒸汽轮机或燃气轮机。

3.根据权利要求2所述的蒸汽轮机或燃气轮机的末级结构，其特征在于，所述外壳部分(210)是所述蒸汽轮机或燃气轮机的壳体的一部分，其中其包括：

一个第一壁(211)，其与所述次末级叶片组的次末级静叶片的顶部连接，使得所述次末级叶片组的次末级动叶片与次末级静叶片形成所述分流装置的流体入口(250)；

一个第二壁(212)，其与所述第一壁(211)对置，并通过一个气体密封装置(280)与所述蒸汽轮机或燃气轮机的轴(10)连接；

一个第三壁(213)，其在所述第一壁(211)与所述第二壁(212)之间延伸。

4.根据权利要求2所述的蒸汽轮机或燃气轮机的末级结构，其特征在于，所述内壳(220)上设有一个内壳开口(221)，其中所述内壳开口(221)与所述蒸汽轮机或燃气轮机的流体出口(260)连通。

5.根据权利要求4所述的蒸汽轮机或燃气轮机的末级结构，其特征在于，所述内壳(220)的一个第一内壳壁与第一静叶片组(111)的顶部连接；所述内壳(220)的一个第二内壳壁与所述第二静叶片组(113)的顶部连接。

6.根据权利要求4所述的蒸汽轮机或燃气轮机的末级结构，其特征在于，在所述内壳(220)的内部设有一个导流件(240)，其设置在所述第一动叶片组(112)和第二动叶片组(114)之间。

7.根据权利要求6所述的蒸汽轮机或燃气轮机的末级结构，其特征在于，所述导流件(240)以能够相对转动的方式支承在所述轴(10)上，并将所述第二流体通道(272)分隔为：

一个第一支路(273)，流过所述第一动叶片组(112)的第一流体通过该第一支路(273)流向所述出口(260)；以及

一个第二支路(274)，流过所述第二动叶片组(114)的第二流体通过该第二支路(274)流向所述出口(260)。

8.蒸汽轮机或燃气轮机，其特征在于，设有如权利要求1-7中任意一项所述的末级结构。

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