CN111520195B - 一种汽轮机低压进汽室导流结构及其参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽轮机低压进汽室导流结构，属于火电、核电等汽轮机的技术领域，包括进汽腔室、轮式转子、第一级静叶和设于轮式转子轴向两侧且对称布置的第一级动叶，还包括导流结构，所述导流结构与轮式转子呈同心设置，通过导流结构、进汽腔室、第一级静叶和设于轮式转子轴向两侧的第一级动叶形成对称的分流腔室，并通过该分流腔室将经第一级静叶进入的气流流向由径向转为轴向且对称分流至轴向两侧的第一级动叶，以达到蒸汽由径向转轴向能够实现导流和稳定过渡、提高叶片排前气流均匀性的目的。

Description

一种汽轮机低压进汽室导流结构及其参数设计方法

技术领域

本发明属于火电、核电等汽轮机的技术领域，具体而言，涉及一种汽轮机低压进汽室导流结构及其参数设计方法。

背景技术

现代社会对能源的需求不断增大，对能源的综合利用也开始得到更大程度的重视。作为现代化国家重要动力设备的汽轮机，提高其经济性对节约能源明显具有重大的意义。随着经济形势的变化，对老旧机组改造的需求越发迫切，对汽轮机进汽室进行改造与技术革新也是其中的一个重要内容。

传统低压进汽室气流从中低压连通管进入进汽腔室后，从左右两侧向下流动并充满整个腔室；随后，气流流动方向由径向转为轴向进入低压缸下游轴流级。如图1所示，传统低压进汽室经过第一级静叶后进入由第一级静叶1、进汽腔室2、第一级动叶3和轮式转子4形成的径流转轴流的进汽通道。这种进汽方式缺点主要有两点：

一是腔室出口气流角不均匀，难以与下游轴流叶片排的几何角实现很好的匹配，将带来很大的冲角损失；

二是流动由径向转为轴向时较剧烈，会在静叶叶顶处产生流动分离，带来损失，即气流由径向转为轴向的双向气流充当下游轴流级的气动边界条件是不稳定的，导致进入轴流级的轴向气流稳定性和可靠性差。同时，由于气流在由径向转为轴向的流程中没有实现较好的导流和过渡，从而使双向分流后的轴向气流在进入下游轴流叶片排时形成漩涡导致轴流叶片排入口气流的不均性，进而造成高损失、增加轴流叶片排的气动损失。

另外，气流直接冲击在轮式转子上也会带来轮式转子稳定性的问题。

基于以上缺点均使得传统低压设计存在经济性和稳定性的问题。

发明内容

鉴于此，为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种汽轮机低压进汽室导流结构及其参数设计方法以达到蒸汽由径向转轴向能够实现导流和稳定过渡、提高叶片排前气流均匀性的目的。

本发明所采用的技术方案为：一种汽轮机低压进汽室导流结构，包括进汽腔室、轮式转子、第一级静叶和设于轮式转子轴向两侧且对称布置的第一级动叶，还包括导流结构，所述导流结构与轮式转子呈同心设置，通过导流结构、进汽腔室、第一级静叶和设于轮式转子轴向两侧的第一级动叶形成对称的分流腔室，并通过该分流腔室将经第一级静叶进入的气流流向由径向转为轴向且对称分流至轴向两侧的第一级动叶。

进一步地，所述导流结构设为沿所述轮式转子径向方向的径向凸起且径向凸起相对于所述分流腔室的对称中心对称；所述径向凸起包括圆弧上凸面、圆弧内凹面和过渡平面，所述圆弧上凸面与圆弧内凹面之间、圆弧内凹面与过渡平面之间以及过渡平面与所述第一级动叶所在平面之间均为平滑均匀过渡，以确保气流由导流结构分流时更加平稳、流畅和均匀。

进一步地，所述圆弧上凸面的顶点所在高度等于或略低于所述第一级动叶的圆周所在平面，以提高进汽腔室内气流由径向转为轴向时的导流效果。

进一步地，所述圆弧内凹面与所述第一级动叶所在起始平面相切，且切点与该圆弧内凹面的圆心之间的连接线位于所述进汽腔室的直线段上，有效减少进入轴流叶片排的蒸汽非均匀性，保证进入轴流叶片排的蒸汽气流均匀性。

在本发明中还提供了一种汽轮机低压进汽室导流结构的参数设计方法，该参数设计方法应用于上述的汽轮机低压进汽室导流结构，该参数设计方法包括：

定义以下：第一级静叶的轴向宽度为L1，进汽腔室的内壁与第一级动叶所在顶部平面之间的圆弧过渡半径为R1，圆弧上凸面与第一级动叶所在的顶部平面之间的距离为L2、导流结构的下沉面与轮式转子之间的距离为L3、圆弧上凸面的半径为R2、圆弧内凹面的半径为R3、分流腔室的轴向宽度为D1、分流腔室的轴向几何角θ，第一级动叶的高度为L4；

圆弧内凹面的圆心位于第一级静叶与进汽腔室之间的内壁直线段上，且圆弧内凹面与第一级动叶所在的起始平面相切，满足：

。

本发明的有益效果为：

1. 采用本发明所公开的汽轮机低压进汽室导流结构及其参数设计方法，通过汽轮机内侧缸体结构、第一级静叶和导流结构以及轴流第一级动叶形成的分流腔室以形成蒸汽由径向转为轴向且进行对称均匀分流；以实现蒸汽由径向转为轴向的稳定控制进而实现分流后的气流顺畅、有序的进入下游第一级动叶所在的轴流叶片排，使蒸汽在由进汽腔室由径向转为轴向的两侧实现分流、导流作用，有效减少进入轴流叶片排的蒸汽非均匀性，避免轴流叶片排前段的高冲角损失，保证进入轴流叶片排的蒸汽气流均匀性，降低轴流叶片排的叶型损失和做功损失，提高低压进汽腔室内气流由径向转为轴向的双向气流的稳定性和气动经济性，实用性非常高。

2. 采用本发明所公开的汽轮机低压进汽室导流结构，其导流结构位于轮式转子上侧，避免高温径向蒸汽气流直接冲击轮式转子，在实现分流型腔减少轮式转子重量的同时，减小SPE颗粒对轮式转子的冲击，实现结构的稳定性，实用性非常高。

附图说明

图1是传统低压进汽室的气流工作流程示意图；

图2是本发明所采用的汽轮机低压进汽室导流结构的局部结构示意图；

图3是本发明所采用的汽轮机低压进汽室导流结构在气流分流时的工作示意图；

图4是本发明所采用的汽轮机低压进汽室导流结构参数设计方法中相应参数的标注示意图；

附图标记如下：

1-第一级静叶，2-进汽腔室，3-第一级动叶，4-轮式转子，5-导流结构，5A-圆弧上凸面，5B-圆弧内凹面，5C-导流结构的下沉周向面，5D-导流结构的下沉端面。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；实施例中的附图用以对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

实施例1

如图2、图3所示，在本实施例中具体公开了一种汽轮机低压进汽室导流结构，包括进汽腔室2、轮式转子4、第一级静叶1和设于轮式转子4轴向两侧且对称布置的第一级动叶3，将进汽腔室2、轮式转子4、第一级静叶1和设于轮式转子4轴向两侧且对称布置的第一级动叶3按照相应的技术规范装配，如图1所示，为传统的低压进汽室导流结构，其工作原理及结构组成在背景技术已作解释，此处不再赘述。

为进一步提升低压进汽室导流结构的导流作用，还包括导流结构，所述导流结构与轮式转子4呈同心设置，导流结构位于轮式转子4的周向上，所述第一级静叶1装配于进汽腔室2的内壁上，设于设于轮式转子4轴向两侧的第一级动叶3对应装配于各自所对应的轮式转子4的轮缘上。

通过导流结构5、进汽腔室2、第一级静叶1和设于轮式转子4轴向两侧的第一级动叶3形成对称的分流腔室，并通过该分流腔室将由进汽腔室2的入口进入，经第一级静叶1进入的气流流向由径向转为轴向且对称分流至轴向两侧的第一级动叶3，以使顺畅的气流进入第一级动叶3所在的轴流叶片排；即第一级静叶1的气流出口面和导流结构的两侧圆弧过渡面、导流结构下游的延伸面、第一级动叶3入口的周向面，几个面之间共同形成蒸汽从径向转为轴向的分流腔室。其中，所述第一级静叶1可为径流式设计或轴流式设计，本实施例中，以径流设计为例进行详细说明，当第一级静叶1为轴流设计时的导流结构设计参照本实施例。

导流结构5采用如下方式设计：所述导流结构5设为沿所述轮式转子4径向方向的径向凸起且径向凸起相对于所述分流腔室的对称中心对称，该对称中心位于进汽腔室2的对称中心上；所述径向凸起包括圆弧上凸面5A、圆弧内凹面5B和过渡平面，所述圆弧上凸面5A与圆弧内凹面5B之间以平滑流线和弧线相切圆滑过渡、圆弧内凹面5B与过渡平面之间以弧线和平滑流线型轮廓结构以相切方式均匀过渡、过渡平面由圆弧内凹面5B延伸至第一级动叶3所在的平面且过渡平面与所述第一级动叶3所在平面之间以平滑流线与直线段之间以相切方式平滑过渡。同时，所述导流结构的下沉周向面5C与轮式转子4两侧侧面之间高精度配合，以确保过渡平面能够以相切方式平滑过渡至第一级动叶3所在的起始平面上。

为了实现进汽腔室2内气流由径向转为轴向时的导流效果更佳，将所述圆弧上凸面5A的顶点所在高度（该高度是相对于所述轮式转子4而言）等于或略低于所述第一级动叶3的圆周所在平面，以确保分流后的气流能够顺畅的进入至两侧的轴流叶片排所在腔室内。

为了实现进汽腔室2内气流由径向转为轴向时的导流效果更佳且分流腔室的分流更优，所述圆弧内凹面与所述第一级动叶3所在起始平面相切，且切点与该圆弧内凹面的圆心之间的连接线位于所述进汽腔室2的直线段上，提高经分流后的气流进入两侧的轴流叶片排均匀性更好，避免产生气流冲击。

如图4所示，在本实施例中还提供了针对汽轮机低压进汽室导流结构的参数设计方法，该参数设计方法包括：

定义以下：第一级静叶1的轴向宽度为L1，进汽腔室2的内壁与第一级动叶3所在顶部平面之间的圆弧过渡半径为R1，圆弧上凸面5A与第一级动叶3所在的顶部平面之间的距离为L2、导流结构的下沉端面5D与轮式转子4之间的距离为L3、圆弧上凸面5A的半径为R2、圆弧内凹面5B的半径为R3、分流腔室的轴向宽度为D1、分流腔室的轴向几何角θ，第一级动叶3的高度为L4；

圆弧内凹面5B的圆心位于第一级静叶1与进汽腔室2之间的内壁直线段上，且圆弧内凹面5B与第一级动叶3所在的起始平面相切，具体表现为满足以下关系式：

。

在本实施例中汽轮机低压进汽室导流结构的工作原理如下：

主流蒸汽气流以径向（相对于轮式转子4的径向）流动方式流入，由于导流结构5的存在，形成蒸汽由径向转为轴向的进汽导流，使分流腔室内形成稳定均匀的气流作为两侧主流蒸汽的流动边界条件，从而实现蒸汽由径向转为轴向的稳定控制进而实现分流后的气流顺畅、有序的进入下游的轴流叶片排，使主流蒸汽从径向沿气动边界和导流结构5光滑过渡至轴流方向，有效减少进入轴流叶片排的蒸汽非均匀性，避免叶片排前段的高冲角损失，保证进入轴流叶片排的蒸汽气流均匀性，降低叶片排的叶型损失和做功损失，提供低压进汽腔室2内气流由径向转为轴向的双向气流的稳定性和气动经济性。同时避免高温径向蒸汽气流直接冲击轮式转子4，在实现分流型腔减少转子重量的同时，减小SPE颗粒对转子的冲击，实现结构的稳定性。

本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种汽轮机低压进汽室导流结构，包括进汽腔室、轮式转子、第一级静叶和设于轮式转子轴向两侧且对称布置的第一级动叶，其特征在于，还包括导流结构，所述导流结构与轮式转子呈同心设置，通过导流结构、进汽腔室、第一级静叶和设于轮式转子轴向两侧的第一级动叶形成对称的分流腔室，并通过该分流腔室将经第一级静叶进入的气流流向由径向转为轴向且对称分流至轴向两侧的第一级动叶；

所述导流结构设为沿所述轮式转子径向方向的径向凸起且径向凸起相对于所述分流腔室的对称中心对称；所述径向凸起包括圆弧上凸面、圆弧内凹面和过渡平面，所述圆弧上凸面与圆弧内凹面之间、圆弧内凹面与过渡平面之间以及过渡平面与所述第一级动叶所在平面之间均为平滑均匀过渡；

所述第一级静叶的轴向宽度为L1，进汽腔室的内壁与第一级动叶所在顶部平面之间的圆弧过渡半径为R1，圆弧上凸面与第一级动叶所在的顶部平面之间的距离为L2、导流结构的下沉面与轮式转子之间的距离为L3、圆弧上凸面的半径为R2、圆弧内凹面的半径为R3、分流腔室的轴向宽度为D1、分流腔室的轴向几何角θ，第一级动叶的高度为L4；

圆弧内凹面的圆心位于第一级静叶与进汽腔室之间的内壁直线段上，且圆弧内凹面与第一级动叶所在的起始平面相切，满足：

。

2.根据权利要求1所述的汽轮机低压进汽室导流结构，其特征在于，所述圆弧上凸面的顶点所在高度等于或略低于所述第一级动叶的圆周所在平面。

3.根据权利要求1所述的汽轮机低压进汽室导流结构，其特征在于，所述圆弧内凹面与所述第一级动叶所在起始平面相切，且切点与该圆弧内凹面的圆心之间的连接线位于所述进汽腔室的直线段上。

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