CN114382551A - 一种汽轮机节能方法及汽轮机叶片和节能汽轮机结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽轮机节能的方法及结构，包括叶片、静叶栅、动叶栅、转子，所述节能汽轮机叶片上设有内腔和通气缝，所述叶片沿着周向间隔分布在静叶栅和动叶栅上，所述静叶栅和所述动叶栅沿着轴向依次交替间隔分布，所述动叶栅与所述转子连接。该节能汽轮机结构可以促使蒸汽进行能量交换，然后再分离成高、低能量气流，高能量气流继续做功，利用凝结潜热做功，减少汽机的冷源能量浪费，减小湿蒸汽产生的液滴阻力损失、制动损失、疏液损失、离心损失和汽轮机出口损失等，同时消除湿蒸汽对汽轮机的冲蚀。

Description

一种汽轮机节能方法及汽轮机叶片和节能汽轮机结构

技术领域

本发明涉及节能减排技术领域，特别涉及汽轮机节能方法及汽轮机叶片和节能汽轮机结构。

背景技术

目前汽轮机广泛用于核电、地热发电、余热发电、太阳能光热发电、火力发电等，汽轮机中静叶栅在前，动叶栅在后，气流先通过静叶栅的叶片(以下简称静叶)之间的喷嘴，然后流入动叶栅的叶片(以下简称动叶)之间的喷嘴，蒸汽推动动叶栅旋转，从而带动转子旋转做功。汽轮机的排汽进入凝汽器，循环水在凝汽器内把排汽的汽化潜热带走，排汽凝结成水，循环水把凝结潜热带到冷却塔，冷却塔把凝结潜热散发到大气中，凝结潜热散发。

现有技术中，汽轮机内的湿蒸汽，特别是末几级的湿蒸汽会造成叶片冲蚀，导致叶片断裂事故；汽轮机内汽液两相非平衡凝结、两相间的速度差异、叶片表面形成水膜等均会引起湿汽损失，从而导致机组效率下降和叶片水蚀损坏。目前认可度较高的观点是：湿汽损失可分为热力学损失、水滴阻力损失、制动损失、疏水损失、离心损失和汽轮机出口损失，热力学损失占湿汽损失的80％以上，水滴阻力损失和制动损失所占比例较小，部分专家认为热力学损失要出现在成核级，水滴的生长过程中也会伴随热力学损失的产生；一次水滴在动叶片、静叶片、汽缸壁上扩散、沉积形成水膜，水膜撕裂破碎形成二次水滴，二次水滴与高速汽流之间有较大的速度滑移；故易对叶片造成水蚀损坏，此过程中主要出现制动损失。

为避免水蚀损坏，目前常规方法有：降低末几级蒸汽的湿度；汽轮机按设计工况运行，同时提高汽轮机叶片的抗冲蚀性能。为了减缓叶片被冲蚀损坏，在汽轮机的叶片的迎风面开设除水槽，通过除湿槽把气流中的水滴抽到叶片的空腔内，通过内外环的空腔导走，从而起到除湿作用。

但是现有技术中，为提高电网消纳新能源，要求汽轮机组深度调峰，在深度调峰时汽轮机末几级蒸汽湿度更大，汽轮机叶片受到的冲蚀更加严重，甚至在低负荷下汽轮机末几级动叶栅的部分区域出现鼓风现象，部分蒸汽不但没做工，反而做了负工。

发明内容

本发明旨在利用汽轮机的凝结潜热做功，突破当前的技术瓶颈，提高汽轮机的效率，同时解决汽轮机叶片被冲蚀问题，解决深度调峰时部分蒸汽做负功问题。

为此，本发明实施例提出一种汽轮机节能方法及节能叶片和节能汽轮机结构，该节能叶片和节能汽轮机结构可以使蒸汽在汽轮机内部进行能量交换，一部分气流把能量交换给另一部分气流，成为低能量气流，另一部分气流成为高能量气流，高能量气流继续在汽轮机内做功，该节能汽轮机叶片及结构把低能量气流分离出来，低能量气流中的一部分蒸汽凝结，释放凝结潜热，并把汽化潜热交还给低能量气流中的另一部分蒸汽，低能量气流中的另一部分蒸汽温度上升，可继续在汽轮机内做功，凝结水排出汽轮机外，实现利用蒸汽凝结的潜热做功。同时降低了蒸汽的湿度，减小湿蒸汽产生的液滴阻力损失、制动损失、疏液损失、离心损失和汽轮机出口损失等，同时消除湿蒸汽对汽轮机的冲蚀，同时可以减少凝汽器、冷却塔的容量。同时减少可以减少向大气中排放热能。

根据本发明的节能叶片，叶片是截面为月牙形的柱体，其压力面为凹圆弧线，其吸力面为凸圆弧线，所述叶片的吸力面设有通气缝，所述通气缝沿着径向延伸，所述通气缝位于、叶片的吸力面与喷嘴进、出口截面两个交点之间曲线长度的1/2处之后、叶片尾端之前；所述叶片内部设有内腔，所述内腔与所述通气缝连通，所述叶片沿着周向间隔分布。

在一些实施例中，所述通气缝有多段，且分别沿着径向交错分布在所述叶片上。

在一些实施例中，所述叶片尾端还设有排气缝，所述排气缝与所述叶片内腔连通。

根据本发明的节能汽轮机结构，包括：叶片、静叶栅、动叶栅、转子。

所述叶片是权利要求1所述的汽轮机叶片。

所述叶片沿着周向间隔分布在所述静叶栅上，且相邻叶片之间形成静叶喷嘴，所述静叶栅具有内轮毂和外轮毂，所述内轮毂与所述外轮毂均具有通流腔，所述通气缝通过所述内腔的两端分别与所述内轮毂通流腔和所述外轮毂通流腔连通。

所述叶片沿着周向间隔分布在在动叶栅上，动叶栅紧邻静叶栅之后布置，且相邻叶片之间形成动叶喷嘴，述的一个动叶栅和紧邻其前的一个静叶栅组成一级做功组。

所述动叶栅固定在所述转子上，所述转子连接有被驱动机构。

在一些实施例中，所述叶片内腔与汽轮机疏液口连通。

在一些实施例中，所述静叶栅和所述动叶栅有多个，多个静叶栅和多个动叶栅组成多级做功组，所述上一级做功组的所述叶片内腔与下一级所述静叶栅前的汽轮机腔体连通。

在一些实施例中，所述叶片内腔与汽轮机的抽气口连通。

在一些实施例中，动叶栅外侧设有收集腔，且沿着圆周分布，所述收集腔内设有收集沟槽。

在一些实施例中，所述的被驱动机构是发电机，所述的发电机的励磁电流为变频电流，所述的变频电流的频率与节能汽轮机的转子的转速、静叶栅出口处气流速度相关，且满足公式：

其中f₂为汽轮机调峰变速运行时发电机励磁的交流电流的频率，f₁为发电机定子输出电能的频率，p为电机的极对数，c₀为额定标准工况下静叶栅蒸汽出口流速，c₁为汽轮机调峰运行时静叶栅的出口气流速度，n₀为额定标准工况下汽轮机转速。

根据本发明的汽轮机节能方法，包括以下步骤：

第一步：将气流通入权利要求9所述的节能汽轮机结构，气流通过叶片之间的喷嘴，产生的高强度的涡流旋转，涡流旋转对气流进行能量交换，喷嘴中叶片吸力面的气流把能量传递给喷嘴中叶片压力面的气流；

第二步，在叶片的吸力面的喷嘴出口截面交点之后，旋转流动、热交换结束；喷嘴中叶片吸力面的气流温度降至最低，并成为低能量的过冷气流；喷嘴中叶片压力面的气流温度升至最高，并成为高能量气流；

第三步：在叶片的吸力面与喷嘴进、出口截面两个交点之间曲线长度的1/2处之后、叶片尾端之前，把低能量气流通过通气缝到引至叶片内腔，实现高、低能量气流分离。

第四步：高能量的气流继续向前流动，在汽轮机内做功。

第五步：内腔中的低能量的过冷蒸汽，一部分凝结为水，释放凝结潜热，并把凝结潜热交换给内腔中的另一部分蒸汽，吸收了凝结潜热的蒸汽，温度上升。

第六步：把内腔中的凝结水引到汽轮机的输液口，排出汽轮机外；

第七步：把内腔中吸收了凝结潜热、温度上升的蒸汽引至汽轮机的动叶栅、静叶栅之间的腔体，且汇入高能量气流中。

本发明所具有的有益效果为：

1.本发明的汽轮机节能的方法及结构中蒸汽在通过相邻叶片形成的喷嘴时，低能量蒸汽通过通气缝进入叶片内腔中，避免气流中形成大量液滴、减小了液滴阻力损失、制动损失、疏液损失、离心损失和汽轮机出口损失等，同时可以避免液滴对叶片的冲蚀损坏。

2.低能量过冷蒸汽凝结成水，排出汽轮机外，凝结水的凝结热传递给没有凝结的另一部分蒸汽，吸收了凝结潜热的蒸汽温度上升，通过排气缝、通流腔、导汽管流入主汽流中继续做功，利用凝结潜热做功，节约能源。

3.深度调峰时，汽轮机静叶出口蒸汽的流速变化，同时改变汽轮机转速，使得动叶入口气流的方向角度不变，维持汽轮机动叶的内效率在最佳值。

附图说明

图1为本发明实施例的节能汽轮机结构叶片剖面图；

图2为本发明实施例的节能汽轮机结构叶片主视图；

图3为本发明实施例的节能汽轮机结构静叶栅示意图；

图4为本发明实施例的节能汽轮机结构动叶栅示意图

图5为本发明实施例的实施例2示意图；

图6为本发明实施例的实施例3示意图；

图7为本发明实施例的实施例4示意图；

图8为本发明实施例的实施例5示意图；

图9为本发明实施例的实施例6示意图；

图10为本发明实施例的实施例7示意图；

图11为本发明实施例的实施例8示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步描述。

实施例1：

本发明实施例的节能汽轮机结构包括：转子1、叶片2和静叶栅3、动叶栅4。

具体地，如图1-4所示，叶片2包括静叶片21和动叶片22。静叶片21和动叶片22结构相同，叶片2是截面为月牙形的柱体，其压力面为凹圆弧线，其吸力面为凸圆弧线。叶片的吸力面设有通气缝23，通气缝23位于喷嘴进口截面与叶片吸力侧曲线交点A和喷嘴出口截面与叶片吸力侧曲线交点B之间。叶片尾部内具有内腔24，通气缝23连通内腔24。多个静叶片21沿着周向平均间隔分布组成静叶片组，多个动叶片22沿着周向平均间隔分布组成动叶片组。周向上相邻的两个静叶片21或两个动叶片22形成一个喷嘴。静叶片21沿着周向间隔分布在所述静叶栅3上，且相邻静叶片21之间形成静叶喷嘴，静叶栅3具有内轮毂和外轮毂。动叶片22沿着周向间隔分布在在动叶栅4上，动叶栅4紧邻静叶栅3之后布置，且相邻动叶片22之间形成动叶喷嘴，一个动叶栅4和紧邻其前的一个静叶栅3组成一级做功组。做功组有多级，多级做功组沿着轴向依次布置，动叶栅4与静叶栅3均同轴分布。每级静叶栅3均与汽轮机固定连接，每级动叶栅4均与转子1固定连接，转子1与汽轮机转动配合。可以理解的是，在其他的实施中，通气缝23还可以在曲线的1/2处C点之后与叶片尾端之间。

根据本发明实施例的节能汽轮机结构，气流通过两个相邻的静叶片21形成的喷嘴时，气流旋转流动，静叶片21的吸力侧是内圆，静叶片21压力侧是外圆，由于加长了弧长并且没有直线段，可以实现增强涡流旋转效果。在一个喷嘴内静叶片21的吸力侧气流把能量传递给静叶片21压力侧气流，气流到达静叶片21的交点B时，能量传递结束，吸力侧气流的能量达到最低值，低能量的气流通过通气缝23进入静叶21尾部内腔24中，高能量的气流继续向前流动至动叶片22处。气流在两个相邻的动叶片22形成喷嘴内做旋转流动，动叶片22的吸力侧是内圆，压力侧是外圆，由于加长了弧长并且没有直线段，可以实现增强涡流旋转效果；在一个喷嘴内动叶片22吸力侧的气流把能量传递给压力侧的气流，气流到达动叶片22的交点B时能量传递结束，吸力侧气流能量达到最低值，低能量气流通过通气缝23进入动叶22尾部内腔24中，高能量气流继续向前流动做功。

由于高低能量的接受了能量，高能量气流不产生液滴，减小了液滴阻力损失、制动损失、疏液损失、离心损失和汽轮机出口损失等，同时可以避免液滴对叶片的冲蚀损坏。

实施例2：

在实施例1的基础上静叶片21和动叶片22的尾端均设有排气缝P，内腔24内设有汽液分离器。通过通气缝23进入静叶21内腔24的过冷蒸汽，部分会在内腔24中凝结，把凝结潜热的能量传输给没有凝结的蒸汽，蒸汽温度升高，经过汽液分离器可以将气流中的凝结液被分离出来，升温后的蒸汽流，通过排气缝P回到高能量气流中，继续做功。

实施例3：

在实施例1的基础上，静叶栅3的内、外轮毂上均设有通流腔31，静叶片21尾部的内腔24两端分别与内轮毂通流腔31和外轮毂通流腔31连通。外轮毂通流腔31还通过输液管与汽轮机的疏液口8连通。

上半部静叶片21内腔24中蒸汽凝结形成的凝结液在重力作用下流入静叶栅3内轮毂通流腔31中，下半部静叶片21的内腔24中蒸汽凝结形成的凝结液在重力作用下可以流入静叶栅3外轮毂的通流腔31内，内轮毂流通腔31中的凝结液可以在重力作用下通过下半部静叶片21的内腔24流入外轮毂通流腔中，然后经输液管和汽轮机疏液口排出汽轮机。

实施例4：

在实施例3的基础上，静叶栅3外轮毂上还设有导气管5，导气管5一端连通静叶栅3外轮毂的通流腔31，另一端位于下一级静叶栅栅3和下一级动叶栅4之间的空隙处。

静叶片21内腔24中的蒸汽经过静叶栅3外轮毂的通流腔31和导气管5流向混入主气流中，继续做功。

实施例5：

在实施例4的基础上，导气管5一端连通静叶栅3外轮毂的通流腔31，另一端连通汽轮机抽气口9，流入静叶片21内腔24中的蒸汽可以流入外轮毂通流腔31，然后经过导气管5和汽轮机抽气口9排出汽轮机。

实施例6

在实施例1的基础上，叶片上的通气缝23还可以有三段，三段通气缝交错分布在叶片上，且均与内腔24连通。

实施例7：

在实施例1的基础上，收集腔6有多个，每级动叶片组的外侧汽轮机外壳7内壁均设有沿着圆周分布的收集腔6。收集腔内设有手机沟槽61，收集腔6通过通气筒62连通至下一级静叶栅3前的间隙。

在动叶片组高速转动时，动叶片22内腔中的蒸汽通过离心力进入收集腔6内，其中蒸汽凝结形成的凝结液聚集在收集沟槽61中，剩余蒸汽通过通气筒62流向下一级静叶栅3前的间隙，混入主气流继续做功。

实施例8：

在实施例1的基础上，转子1与被驱动机构10固定连接，被驱动机构10是发电机，发电机励磁电流是交流电。在静叶栅3出气口气流速度变化时，同时改变汽轮机转速，使得动叶栅2入口气流的方向角度不变，从而汽轮机动叶的内效率在最佳值。

根据发明的节能汽轮机结构，汽轮机转速变化后，汽轮机的转子直接带着发电机转子1转动发电，发电机的转子1的转速也会发生维持输出到电网的电能的频率不变，发电机转速变化时，通过改变发电机励磁电流的频率，使发电机输出电能的频率与电网一致。

动叶栅4上的动叶片22的圆周速度满足：

其中：n₀是额定工况下汽轮机的转速，d_m为动叶栅4的直径。

动叶片22进口相对速度和相对方向角度满足：

其中:

w₀为额定标工况下，动叶栅4进口气流的相对速度，c₀为额定标准工况下静叶栅3蒸汽出口流速，u₀为额定标准工况下动叶的圆周速度，α为静叶栅3出口气流的角度，

β为动叶栅4进口的最佳相对角度。

在汽轮机深度调峰时静叶栅3出口气流的速度改变后，如果维持气流进气方向与动叶片22的相对角度为β，则满足：

其中：u₀为额定标准工况下动叶22的圆周速度，u₁为汽轮机调峰运行时的圆周速度，n₀为额定标准工况下汽轮机转速，n₁为汽轮机调峰运行时汽轮机转速，c₁为汽轮机调峰运行时静叶栅3的出口气流速度。

维持发电机定子的输出电能的频率与电网频率一致不变，发电机励磁电流频率满足:

其中f₂为汽轮机调峰变速运行时发电机励磁电流频率，f₁为发电机定子输出电能的频率，也是电网的电能频率，p为电机的极对数。

根据本发明实施例的汽轮机节能方法，包括以下步骤

第一步：将气流通入节能汽轮机结构中，当气流通过叶片2之间的喷嘴时，产生的高强度的涡流旋转，涡流旋转对气流进行能量交换，喷嘴中叶片2吸力面的气流把能量传递给喷嘴中叶片2压力面的气流；

第二步，在叶片2的吸力面的喷嘴出口截面交点之后，旋转流动、热交换结束；喷嘴中叶片2吸力面的气流温度降至最低，并成为低能量的过冷气流；喷嘴中叶片2压力面的气流温度升至最高，并成为高能量气流；

第三步：在叶片2的吸力面与喷嘴进、出口截面两个交点之间曲线长度的1/2处C点之后、叶片尾端之前，把低能量气流通过通气缝23到引至叶片2内腔，实现高、低能量气流分离。

第四步：高能量的气流继续向前流动，在汽轮机内做功。

第五步：内腔中的低能量的过冷蒸汽，一部分凝结为水，释放凝结潜热，并把凝结潜热交换给内腔中的另一部分蒸汽，吸收了凝结潜热的蒸汽，温度上升。

第六步：把内腔中的凝结水引到汽轮机的输液口8，排出汽轮机外；

第七步：把内腔中吸收了凝结潜热、温度上升的蒸汽引至汽轮机的动叶栅4、静叶栅3之间的腔体，且汇入高能量气流中。

根据本发明实施例的汽轮机节能方法，汽轮机的热功转换是通过热力循环完成的，其能量转换遵循最基本的郎肯循环，理想理想朗肯循环的热效率计算公式如下：

其中：q0为循环吸热量；qca为理想循环的冷源损失。目前为了提高汽轮机的效率。从公式(1)中可知，冷源损失qca越小循环效率ηt越高。

假如汽轮机内凝结成水的占比为y，不考虑凝结水在汽轮机内的各项损失，则：

其中：η_ty为发电机组的循环效率，q₀为循环吸热量，q_ca为冷源损失的热量，在这里等于凝汽器内排汽释放的凝结潜热。y为汽轮机内凝结水的占比，假如蒸汽能在汽轮机内部全部凝结成水，理想朗肯循环就没有了冷源损失，不考虑凝结水在汽轮机内各项损失时，汽轮机热循环效率就达到100％。所以想办法让汽轮机内的蒸汽尽可能凝结生成水。汽轮机内的凝结水越多，汽轮机的效率就越高。同时可以减小凝汽器、循环水泵、冷却塔(风冷装置)的出力，减少凝汽器、冷却塔向大气中排放的热量，提效节能。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

如果本文中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，如没有另外声明，上述词语并没有特殊的含义。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种汽轮机叶片，其特征在于：叶片是截面为月牙形的柱体，其压力面为凹圆弧线，其吸力面为凸圆弧线，所述叶片的吸力面设有通气缝，所述通气缝沿着径向延伸，所述通气缝位于、叶片的吸力面与喷嘴进、出口截面两个交点之间曲线长度的1/2处之后、叶片尾端之前；所述叶片内部设有内腔，所述内腔与所述通气缝连通，所述叶片沿着周向间隔分布。

2.根据权利要求1所述汽轮机叶片，其特征在于，所述通气缝有多段，且分别沿着径向交错分布在所述叶片上。

3.根据权利要求1、2所述的任意一项汽轮机叶片，其特征在于，所述叶片尾端还设有排气缝，所述排气缝与所述叶片内腔连通。

4.一种节能汽轮机结构，其特征在于，包括：

叶片，所述叶片是权利要求1所述的汽轮机叶片；

静叶栅，所述叶片沿着周向间隔分布在所述静叶栅上，且相邻叶片之间形成静叶喷嘴，所述静叶栅具有内轮毂和外轮毂，所述内轮毂与所述外轮毂均具有通流腔，所述通气缝通过所述内腔的两端分别与所述内轮毂通流腔和所述外轮毂通流腔连通；

动叶栅，所述叶片沿着周向间隔分布在在动叶栅上，动叶栅紧邻静叶栅之后布置，且相邻叶片之间形成动叶喷嘴，所述的一个动叶栅和紧邻其前的一个静叶栅组成一级做功组。

转子，所述动叶栅固定在所述转子上，所述转子连接有被驱动机构。

5.根据权利要求4所述的节能汽轮机结构，其特征在于，所述叶片内腔与汽轮机疏液口连通。

6.根据权利要求4所述的节能汽轮机结构，其特征在于，所述的做功组有多级，所述静叶栅和所述动叶栅有多个，所述上一级做功组的所述叶片内腔与下一级所述静叶栅前的汽轮机腔体连通。

7.如权利要求4所述的节能汽轮机结构，其特征在于，所述叶片内腔与汽轮机的抽气口连通。

8.根据权利要求4所述的节能汽轮机结构，其特征在于，动叶栅外侧设有收集腔，且沿着圆周分布，所述收集腔内设有收集沟槽。

9.根据权利要求4-8所述的任意一项节能汽轮机结构，其特征在于，所述的被驱动机构是发电机，所述的发电机的励磁电流为变频电流，所述的变频电流的频率与节能汽轮机的转子的转速、静叶栅出口处气流速度相关，且满足公式：

其中f₂为汽轮机调峰变速运行时发电机励磁的交流电流的频率，f₁为发电机定子输出电能的频率，p为电机的极对数，c₀为额定标准工况下静叶栅蒸汽出口流速，c₁为汽轮机调峰运行时静叶栅的出口气流速度，n₀为额定标准工况下汽轮机转速。

10.一种汽轮机节能方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：将气流通入权利要求4所述的节能汽轮机结构，气流通过叶片之间的喷嘴，产生的高强度的涡流旋转，涡流旋转对气流进行能量交换，喷嘴中叶片吸力面的气流把能量传递给喷嘴中叶片压力面的气流；

第二步，在叶片的吸力面的喷嘴出口截面交点之后，旋转流动、热交换结束；喷嘴中叶片吸力面的气流温度降至最低，并成为低能量的过冷气流；喷嘴中叶片压力面的气流温度升至最高，并成为高能量气流；

第三步：在叶片的吸力面与喷嘴进、出口截面两个交点之间曲线长度的1/2处之后、叶片尾端之前，把低能量气流通过通气缝到引至叶片内腔，实现高、低能量气流分离。

第四步：高能量的气流继续向前流动，在汽轮机内做功；

第五步：内腔中的低能量的过冷蒸汽，一部分凝结为水，释放凝结潜热，并把凝结潜热交换给内腔中的另一部分蒸汽，吸收了凝结潜热的蒸汽，温度上升；

第六步：把内腔中的凝结水引到汽轮机的输液口，排出汽轮机外；

第七步：把内腔中吸收了凝结潜热、温度上升的蒸汽引至汽轮机的动叶栅、静叶栅之间的腔体，且汇入高能量气流中。

Images