CN110431286B - 用于涡轮机的尖端平衡狭缝 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了用于涡轮机的受控尖端平衡狭缝(200)。用于涡轮机的示例性泄漏流控制系统(110)可以包括：流动流道(150)，该流动流道具有尖端护罩(152)；隔膜或引导叶片(130)；延伸环(160)，该延伸环联接到隔膜并且邻近尖端护罩(152)定位；以及尖端平衡狭缝(200)。

Description

用于涡轮机的尖端平衡狭缝
技术领域
本申请和所得专利整体涉及任何类型的轴流式涡轮机，并且更具体地涉及用于蒸汽涡轮机的尖端平衡狭缝。
背景技术
一般而言，蒸汽涡轮机等可以具有限定的蒸汽路径，该蒸汽路径包括蒸汽入口、涡轮部分和蒸汽出口。从蒸汽路径出来或进入蒸汽路径从较高压力区域到较低压力区域的蒸汽泄漏可能不利地影响蒸汽涡轮机的操作效率。例如，蒸汽涡轮机中的旋转轴与周向围绕的涡轮机壳体之间的蒸汽路径泄漏可能降低蒸汽涡轮机的总效率。
蒸汽可以大体流过通常串联设置的多个涡轮机级，流过第一级引导件和叶片(或喷嘴和桶)，并且然后流过涡轮机的后级的引导件和叶片。以此方式，引导件可以将蒸汽引向相应的叶片，从而致使叶片旋转并驱动负载(诸如发电机等)。蒸汽可以由围绕叶片的周向护罩包含，这也可以有助于沿着路径引导蒸汽。以此方式，涡轮引导件、叶片和护罩可能经受由蒸汽产生的高温，这可能导致在这些部件中形成热点和高热应力。因为蒸汽涡轮机的效率取决于其操作温度，所以持续需要能够承受越来越高的温度而不会失效或使用寿命缩短的沿着蒸汽或热气路径定位的部件。
在一些情况下，来自蒸汽的主流流动路径的泄漏流可能流过涡轮发动机的部件之间的间隙。这种泄漏流可能减小涡轮机效率并且可能导致混合损失、对主流的破坏、到后续叶片列上的入射和/或其他损失。
发明内容
本申请和所得专利提供了用于涡轮机的泄漏流控制系统。示例性泄漏流控制系统可以包括：流动流道，该流动流道具有尖端护罩；隔膜；延伸环，该延伸环联接到隔膜并且邻近尖端护罩定位；和尖端平衡狭缝。
本申请和所得专利还提供了控制涡轮机中的泄漏流的方法。方法可以包括以下步骤：在尖端护罩与涡轮机的第一延伸环之间引导尖端泄漏射流，围绕隔膜引导尖端泄漏射流，将尖端泄漏射流引导到第二延伸环之间的间隙中，以及引导尖端泄漏射流通过形成在第二延伸环中的尖端平衡狭缝。
本申请和所得专利还提供了具有泄漏流控制系统的蒸汽涡轮机。蒸汽涡轮机可以包括：具有第一尖端护罩的第一流动流道；具有第二尖端护罩的第二流动流道，第二流动流道在第一流动流道下游；隔膜；从第一流动流道到第二流动流道的围绕隔膜的至少一部分的流动路径；和位于流动路径下游的尖端平衡狭缝，尖端平衡狭缝被配置成在第二流动流道附近将尖端泄漏射流从流动路径引导到主流。
在结合若干附图和所附权利要求阅读以下详细描述后，本申请和所得专利的这些和其他特征和改善对于本领域普通技术人员将变得显而易见。
附图说明
图1是蒸汽涡轮机的示意图。
图2是可用于图1的蒸汽涡轮机的涡轮机的一部分的示意图，示出了各种涡轮机构造。
图3是根据一个或多个实施方案的具有泄漏流控制系统的涡轮机的一部分的示意图，该泄漏流控制系统具有如本文所述的尖端平衡狭缝。
图4A至图4B是根据一个或多个实施方案的具有泄漏流控制系统的涡轮机的一部分的示意图，该泄漏流控制系统具有如本文所述的尖端平衡狭缝。
图5是根据一个或多个实施方案的具有泄漏流控制系统的涡轮机的一部分的示意图，该泄漏流控制系统具有如本文所述的尖端平衡狭缝。
具体实施方式
现在参考附图，其中相同的数字在若干视图中指代相同的元件，图1 示出了蒸汽涡轮机10的示例的示意图。一般而言，蒸汽涡轮机10可以包括高压部分15和中压部分20。转子轮可以延伸通过部分15和20。也可以在本文中使用其他部分中的其他压力。外壳或壳体25可以轴向分成上半部分 30和下半部分35。壳体25的中心部分40可以包括高压蒸汽入口45和中压蒸汽入口50。在壳体25内，高压部分15和中压部分20可以围绕转子或盘 55布置。盘55可以由多个轴承60支撑。蒸汽密封单元65可以位于轴承60 中的每一个的内侧。环形部分分隔件70可以从中心部分40朝向盘径向向内延伸。分隔件70可以包括多个包装壳体75。可以使用其他部件和其他配置。
在操作期间，高压蒸汽入口45接收来自蒸汽源的高压蒸汽。蒸汽可以被引导通过高压部分15，使得通过盘55的旋转从蒸汽中提取功。蒸汽离开高压部分15并且然后可以返回蒸汽源以进行再加热。然后，再加热的蒸汽可以被重新引导到中压部分入口50。蒸汽可能以与进入高压部分15的蒸汽相比减小的压力，但以与进入高压部分15的蒸汽的温度近似相等的温度返回中压部分20。因此，高压部分15内的操作压力可以高于中压部分20内的操作压力，使得高压部分15内的蒸汽倾向于通过可能在高压部分15与中压部分20之间产生的泄漏路径流向中压部分20。一个这样的泄漏路径可以围绕盘轴55延伸穿过包装壳体75。可能在蒸汽密封单元65和其他地方产生其他泄漏。虽然在某些实施方案的上下文中已讨论，但本公开的其他实施方案可以与涡轮机构造的其他方法一起使用，诸如具有鼓形转子构造的反应技术叶片(RTB)，或者引导件和密封件可以直接安装在壳体中的情况。
图2示出了蒸汽涡轮机10的一部分的各种构造的示意图。蒸汽涡轮机 10可以具有脉冲构造80。具有脉冲构造的涡轮机可以具有低根部反应以及盘和隔膜构造。如图所示，脉冲构造80可以包括彼此相邻的引导件和流道。在其他实施方案中，涡轮机10可以具有反应技术叶片90。反应技术叶片90可以具有反应鼓构造，并且可以包括具有流道的一个或多个燕尾榫。燕尾榫可以用于将相应的流道固定到鼓。某些实施方案可以与脉冲和反应技术叶片一起使用。其他实施方案可以具有不同的配置。
图3描绘了具有可在本文使用的泄漏流控制系统110的蒸汽涡轮机100 的一部分的示意图。泄漏流控制系统110可以用于限制通过蒸汽涡轮机100 的一个或多个部件的泄漏流。泄漏流控制系统110可以围绕外壳体120、隔膜130、或其他地方使用。
蒸汽涡轮机100可以包括用于涡轮机100的不同级的多个流引导件140 和多个叶片或流动流道150。例如，所示的流动流道150可以是第一级流道，并且所示的流引导件140可以是第一级引导件。流引导件140和流动流道150可以联接到盘或鼓。可以包括任何数量的级和/或引导件和流道。
流动流道150中的一个或多个或每个可以包括尖端、叶片和根部。根部可以被配置成将流道联接到涡轮机100的盘或鼓。叶片可以定位在根部与尖端之间。在一些实施方案中，尖端护罩152可以联接到流动流道150的尖端或以其他方式形成在该尖端处。
隔膜130可以在涡轮机壳体120中的压力级之前形成分隔。隔膜130可以在级之间保持喷嘴和/或密封件。隔膜130可以是平台隔膜。延伸环160 可以联接到或以其他方式附接到隔膜130的一部分。延伸环160可以邻近流动流道150的尖端护罩152定位。延伸环160可以包括从延伸环160朝向尖端护罩152延伸的多个密封翅片162。
间隙170可以形成在延伸环160的密封翅片162与流动流道150的尖端护罩152之间。可以形成间隙170以便在涡轮机100的操作期间创建用于流动流道150的移动的空隙。在操作期间，诸如尖端泄漏射流180的泄漏流可以流过涡轮机100的一部分。尖端泄漏射流180可以是主流190的一部分。例如，尖端泄漏射流180可以流过密封翅片162和/或延伸环160的另一个部分与流动流道150之间的间隙170。
尖端泄漏射流180可以导致涡轮机100的效率和/或性能减小。尖端泄漏射流180可以流过间隙170并且可以重新进入主流190。然而，尖端泄漏射流180可能破坏主流并导致泄漏流与主流之间的混合损失。尖端泄漏射流 180还可以增加熵并增加到下游叶片列上的入射。
泄漏流控制系统110可以减小或消除由尖端泄漏射流180引起的损失。在图3的示例中，泄漏流控制系统110可以包括一个或多个尖端平衡狭缝 200。尖端平衡狭缝200可以形成在隔膜130中或外壳体120中。尖端平衡狭缝200可以是孔、狭缝、或形成用于使流体(诸如尖端泄漏射流180)流动的路径的另一个开口。尖端平衡狭缝200可能以径向向外的定向形成在隔膜130中。例如，如图3所示，可以形成尖端平衡狭缝200以便创建用于使流体从间隙180向下游流动的倾斜路径。因此，尖端平衡狭缝200可以形成尖端泄漏射流180的下游路径。在一个示例中，尖端平衡狭缝200可以通过机加工或以其他方式移除隔膜的一部分而形成，并且可以形成围绕涡轮机 100的圆周或部分圆周的狭缝。
泄漏流控制系统110可以包括位于尖端平衡狭缝200的端部212处的腔室210。腔室210可以是尖端平衡狭缝200的一部分，或者可以与尖端平衡狭缝200流体连通。腔室210在尺寸和/或直径方面可以大于尖端平衡狭缝 200。泄漏流控制系统110可以包括与腔室连通的尖端平衡狭缝出口220，和/或被配置成将尖端泄漏射流180重新引入主流190的尖端平衡狭缝200。尖端平衡狭缝出口220可以成角度或定向为与尖端平衡狭缝200相同的角度或定向，或以与其不同的角度或定向。如图3所示，尖端平衡狭缝出口220 可以针对或部分地针对主流190成角度。
具有一个或多个尖端平衡孔或狭缝200的泄漏流控制系统110可以围绕隔膜130引导尖端泄漏射流180，并且可以将正功投入涡轮机护罩中并提供蒸汽覆盖或密封效果。
图4A至图4B示出了如本文所述的泄漏流控制系统300的另一个实施方案。在图4中，涡轮机310可以包括具有第一护罩322的第一流动流道 320、具有第二护罩332的第二流动流道330、和具有第三护罩342的第三流动流道340。涡轮机310可以具有反应技术叶片构造。涡轮机310可以包括第一流动流道320与第二流动流道330之间的第一隔膜350、以及第二流动流道330与第三流动流道340之间的第二隔膜360。与对应于第一流道 320的涡轮机级相比，第二流动流道330可以对应于具有相对更低的压力的涡轮机级。类似地，与对应于第二流动流道330的涡轮机级相比，第三流动流道340可以对应于具有相对更低的压力的涡轮机级。第二流动流道330可以位于第一流动流道320的下游，并且第三流动流道340可以位于第二流动流道330的下游。
涡轮机310可以包括第一延伸环370，该第一延伸环可以邻近第一尖端护罩322联接到第一隔膜350。第二延伸环380可以邻近第二尖端护罩332 联接到第二隔膜360。尖端泄漏射流390可以流过第一延伸环370与第一尖端护罩322之间的间隙400。
泄漏流控制系统300可以包括通过第一隔膜350的至少一部分的流动路径410。流动路径410可以围绕第一隔膜350延伸，并且可以是涡轮机310 中的部件之间的开口或间隙。具体地，在一个示例中，流动路径410可以从第一流动流道320延伸到第二流动流道330，或者延伸到邻近第一流动流道 320和第二流动流道330中的任一个或两者的区域。流动路径410可以具有全360度进入。
流动路径410中的一些或全部可以由以下中的一个或多个形成：压碎栓、柱、狭缝或它们的组合。可以使用压碎栓等来定位隔膜头部。例如，可以在一个或多个涡轮机部件中使用压碎栓、柱等来形成附加的间隙、狭缝或孔。流动路径的一部分可以沿着引导件的压力面470上的间隙形成或由这些间隙形成，其可以形成第一尖端平衡狭缝，而在其他实施方案中，可以在邻近流道的延伸环处使用流体密封件以便为尖端泄漏流提供出口480。一些实施方案可以使用这些配置中的一个或另一个或两者。
流动路径410可以与第二延伸环380与壳体和/或隔膜之间的空间或腔室420流体连通。在一些实施方案中，第二延伸环380可以缩短或以其他方式进行修改以便将尖端泄漏射流390重新引入主流中。在其他实施方案中，第二延伸环380的下游部分可以位于壳体(例如，弹簧支撑的压盖等)中或者可以在隔膜上位于下游。如果在隔膜上位于下游，则可以使用尖端泄漏狭缝从空间中提取尖端泄漏流390。
具体地，涡轮机310可以包括第一隔膜350与第二延伸环380之间的间隙415。尖端泄漏射流390的至少一部分可以流过流动路径410并进入间隙 415。
流体密封件460可以定位在间隙415中。在一些实施方案中，流体密封件460可以定位在尖端平衡狭缝的端部处或间隙415的下游部分处和/或涡轮机的外壳体处。流体密封件460可以定位成防止泄漏流在延伸环后面经过。流体密封件460可以减小泄漏流损失并且可以较不易于发生某些故障。
流动路径410可以用于使泄漏流穿过第一隔膜350。尖端泄漏射流390 可以流入流动路径410中，围绕第一隔膜350流动，并且流入第二延伸环 380与隔膜或壳体之间的空间中。
一个或多个尖端平衡狭缝430可以形成在第二延伸环380中以便将尖端泄漏射流390从空间重新引入主流中。例如，第一尖端平衡狭缝440可以位于流动路径410的下游，并且可以被配置成在第二流动流道330附近将尖端泄漏射流390从流动路径410引导到主流。在一些实施方案中，第一尖端平衡狭缝440可以是成角度的尖端平衡狭缝，而在其他实施方案中，第一尖端平衡狭缝440可以是直尖端平衡狭缝。一些实施方案可以包括多于一种类型的尖端平衡狭缝。
泄漏流控制系统400可以包括第二尖端平衡狭缝，该第二尖端平衡狭缝可以是邻近第一尖端平衡狭缝440定位的成角度的尖端平衡狭缝450。成角度的尖端平衡狭缝450可以形成在延伸环中，并且可以被配置成针对主流重新引入尖端泄漏射流。例如，成角度的尖端平衡狭缝450可以成角度以便向上游或针对主流引导尖端泄漏流390的一部分。成角度的尖端平衡狭缝 450可以位于第一尖端平衡狭缝440的下游。
因此，泄漏流控制系统400可以吞下尖端泄漏流，将该流旋流到护罩上以使风阻损失最小化，并且提供蒸汽覆盖效果。可能导致级效率增益。
在图5中，示出了具有泄漏流控制系统510的蒸汽涡轮机500的一部分。泄漏流控制系统510可以包括延伸环530中的一个或多个成角度的狭缝 520。延伸环530可以是缩短和/或简化的延伸环。密封特征可以包括在隔膜的上游和/或下游以限制与主流的相互作用。弹簧支撑的密封件540可以定位在壳体中，这可以导致由于壳体变形而略微增加的空隙，但总体上减少损耗并提高级效率。
控制涡轮机中的泄漏流的方法可以包括：在尖端护罩与涡轮机的第一延伸环之间引导尖端泄漏射流，围绕隔膜引导尖端泄漏射流，将尖端泄漏射流引导到第二延伸环之间的间隙中，以及引导尖端泄漏射流通过形成在第二延伸环中的尖端平衡狭缝。
作为本文所述的泄漏流控制系统的结果，蒸汽涡轮机的级效率增益可以是约0.50％，其中减小混合损失并减小后续叶片列中的二次损失/入射。某些实施方案可以用于改进现有的蒸汽涡轮机。某些实施方案可以包括一个或多个尖端平衡狭缝或孔，其将正功放入涡轮机护罩中并且可以提供蒸汽覆盖或密封效果。因此，泄漏流控制系统可以改善级效率，同时保持或改善机械可靠性并且不增加蒸汽涡轮机的成本或复杂性。可以减小排放。尖端平衡孔可以防止吸入主流，由此增加涡轮功率和/或输出。某些实施方案可以与脉冲和反应技术叶片一起使用。
应当显而易见的是，前述内容仅涉及本申请和所得专利的某些实施方案。在不脱离由所附权利要求及其等同物限定的本发明的一般精神和范围的情况下，本领域普通技术人员可以在本文中进行许多改变和修改。为了完整起见，本发明的各个方面在以下编号的条款中列出。

Claims (9)

1.一种用于蒸汽涡轮机的泄漏流控制系统(110)，所述泄漏流控制系统(110)包括：
流动流道(150)，所述流动流道具有尖端护罩(152)；
隔膜(130)或流引导件(140)，所述隔膜或流引导件位于所述流动流道(150)的下游；
延伸环(160)，所述延伸环联接到所述隔膜(130)或所述流引导件(140)并且邻近所述尖端护罩(152)定位；和
尖端平衡狭缝(200)，所述尖端平衡狭缝至少部分地形成在所述隔膜(130)或所述流引导件(140)中，所述尖端平衡狭缝(200)至少部分地限定泄漏流动路径，其中所述尖端平衡狭缝(200)限定出口(220)，所述出口被构造成针对或部分地针对主流(190)成一定角度将尖端泄漏射流(180)重新引入所述主流(190)。
2.根据权利要求1所述的泄漏流控制系统(110)，还包括位于所述尖端平衡狭缝(200)的端部(212)处的腔室(210)。
3.根据权利要求2所述的泄漏流控制系统(110)，其中所述腔室(210)定位在所述隔膜(130)或所述流引导件(140)的下游部分处。
4.根据权利要求1所述的泄漏流控制系统(110)，其中：
尖端泄漏射流(180)围绕所述隔膜(130)或所述流引导件(140)流过所述泄漏流动路径；并且
间隙(170)限定在所述延伸环(160)与所述尖端护罩(152)之间，其中所述尖端泄漏射流(180)的至少一部分流过所述间隙(170)并进入所述泄漏流动路径。
5.根据权利要求4所述的泄漏流控制系统(110)，其中所述泄漏流动路径的至少一部分包括开口，所述开口由以下中的一个或多个形成：压碎栓、柱、尖端平衡狭缝(200)或它们的组合。
6.根据前述权利要求中任一项所述的泄漏流控制系统(110)，其中所述延伸环(160)包括多个密封翅片(162)。
7.一种蒸汽涡轮机(310)，包括：
泄漏流控制系统(300)，所述泄漏流控制系统包括：
第一流动流道(320)，所述第一流动流道具有尖端护罩(322)；
第二流动流道(330)，所述第二流动流道具有位于所述第一流动流道(320)下游的第二尖端护罩(332)；
隔膜(350)，所述隔膜设置在所述第一流动流道(320)和所述第二流动流道(330)之间；
流动路径(410)，所述流动路径从所述第一流动流道(320)到所述第二流动流道(330)围绕所述隔膜(350)的至少一部分；和
尖端平衡狭缝(440)，所述尖端平衡狭缝与所述流动路径(410)流体连通，所述尖端平衡狭缝(440)被构造成针对或部分地针对主流(190)成一定角度在所述第二流动流道(330)附近将尖端泄漏射流(390)从所述流动路径(410)重新引入所述主流(190)。
8.根据权利要求7所述的蒸汽涡轮机(310)，还包括定位在间隙(415)中的流体密封件(460)。
9.根据权利要求7所述的蒸汽涡轮机(310)，还包括形成在延伸环(380)中的成角度的尖端平衡狭缝(450)，其中所述成角度的尖端平衡狭缝(450)被构造成针对所述主流(190)重新引入所述尖端泄漏射流(390)。
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