CN114776403A - 一种适用于大焓降小流量透平进气结构及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于大焓降小流量透平进气结构及其方法，属于燃气轮机透平技术领域；该结构包括轮式转子，所述轮式转子包括垂直于转子轴的第一转子部，以及平行于转子轴的第二转子部，所述第二转子部上设置有多级轴流动叶，所述第一转子部上设置有多个用于气体膨胀加速的钻孔喷嘴，在靠近钻孔喷嘴的出气端口处所在的第一转子部上还设置有用于驱动轮式转子转动的横置动叶；本发明在小流量、大焓降的透平工况下，首级采用钻孔喷嘴和横置动叶可避免常规轴流式透平叶高过小导致的效率低下，甚至相对于传统设置横置静叶而言，该设计更具备能耗利用率高的优势。

Description

一种适用于大焓降小流量透平进气结构及其方法
技术领域
本发明涉及一种适用于大焓降小流量透平进气结构及其方法，属于燃气轮机透平技术领域。
背景技术
透平是将蒸汽内能转化为机械能的旋转式动力机械，多级轴流式具有功率大、效率高等优点，被广泛的应用在大功率发电设备的原动机上。而在高压、小流量的情况下，工质体积流量较小、首级焓降较大，采用常规轴流式透平设计首级叶高太小，效率较低。根据调研结果来看，向心透平具有效率高、单级膨胀比高等特点。适用于大焓降的透平领域，相比轴流式透平有一定的优势，但在小流量情况下，工质体积流量较小、引起导叶叶高相对太小，效率方面不能满足要求。另一方面，导叶安装于进气腔室与转子的过渡区域，增加结构的复杂性，在径向和轴向空间都受限、而且要求结构简单的情况下，迫切需要一种高效、结构简单、整体尺寸小的透平进气结构形式。。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种适用于大焓降小流量透平进气结构及其方法，该结构可适用于小流量大焓降的场合，并且具有效率高的优点，其具体的结构简单，占用的空间尺寸小。
本发明采用的技术方案如下：
一种适用于大焓降小流量透平进气结构，包括轮式转子，所述轮式转子包括垂直于转子轴的第一转子部，以及平行于转子轴的第二转子部，所述第二转子部上设置有多级轴流动叶，所述第一转子部上设置有多个用于气体膨胀加速的钻孔喷嘴，在靠近钻孔喷嘴的出气端口处所在的第一转子部上还设置有用于驱动轮式转子转动的横置动叶，工质从进气腔室出来后，通过钻孔喷嘴膨胀加速，高速的气流冲击横置动叶，在进入轴流动叶。
进一步的，所述轮式转子还包括过渡段，所述过渡段为光滑的弧面段，所述第一转子部通过过渡段与第二转子部连接以实现过渡。
进一步的，所述横置动叶装配于第一转子部，其叶高方向与转子轴的轴向平行。
进一步的，所述钻孔喷嘴呈圆周阵列分布。
进一步的，所述钻孔喷嘴为缩放喷嘴，其部分可打开，另一部分关闭；或者其全部可打开；或者其全部关闭。
进一步的，所述钻孔喷嘴和横置动叶可拆卸的装配于第一转子部上以便于调整。
一种适用于大焓降小流量透平进气方法，包括以下步骤：
a、在轮式转子上根据设计要求装配钻孔喷嘴，在靠近钻孔喷嘴的出气端装配横置动叶，在横置动叶的后端设计过渡段，通过过渡段后装配轴流动叶；
b、气流从进气蜗壳出来后，进入钻孔喷嘴组，气流在钻孔喷嘴中完成膨胀加速后，进入横置动叶；
c、气流在横置动叶中进行做功后，气流再经轮式转子的过渡段实现气流由径向转变为轴向后，从而进入轴流动叶，随后进入相匹配的下游轴流级，完成透平做功。
进一步的，步骤a所形成的进气结构和后续轴流级为同轴结构，横置动叶、轴流动叶和后续轴流级根径、顶径的匹配可通过调整焓降分配及各级设计参数来实现。
进一步的，步骤a中，在小流量大焓降的情况下，可调整钻孔喷嘴的数量下降以匹配合适的部分进气度，并可增加叶高。
进一步的，在步骤a中，所述钻孔喷嘴按照圆周阵列分布的方式装配于轮式转子上；所述横置动叶也按照圆周阵列分布的方式装配于轮式转子上。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明的一种适用于大焓降小流量透平进气结构及其方法在小流量、大焓降的透平工况下，首级采用钻孔喷嘴和横置动叶可避免常规轴流式透平叶高过小导致的效率低下，甚至相对于传统设置横置静叶而言，该设计更具备能耗利用率高的优势；
2、本发明的一种适用于大焓降小流量透平进气结构及其方法的首级横置动叶和后续轴流透平级采用同轴设计，可使整个透平结构简单、紧凑，该结构在对于装配空间的要求上更低，且更具备经济性和适用性，同时，由于横置动叶的设计，横置动叶不会产生额外的轴向推力，因此转子轴系与普通轴流透平没有太大差异。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明的结构示意图。
图中标记：1-钻孔喷嘴，2-横置动叶，3-轴流动叶，4-轮式转子，41-第一转子部，42-第二转子部，43-过渡段。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例1
一种适用于大焓降小流量透平进气结构，如图1所示，所述轮式转子4包括垂直于转子轴的第一转子部41，以及平行于转子轴的第二转子部42，所述第二转子部42上设置有多级轴流动叶3，所述第一转子部41上设置有多个用于气体膨胀加速的钻孔喷嘴1，在靠近钻孔喷嘴1的出气端口处所在的第一转子部41上还设置有用于驱动轮式转子4转动的横置动叶2，工质从进气腔室出来后，通过钻孔喷嘴1膨胀加速，高速的气流冲击横置动叶2，在进入轴流动叶3。
在本实施例中，与传统结构的不同的是，集合钻孔喷嘴1、横置动叶2以及轴流动叶3同轴的设计，主要的目的是为了使该进气结构能够适用于大焓降小流量轴流透平的进气结构可保证效率较高，结构简单紧凑，空间尺寸小，适用于小流量、大焓降，而且对空间要求较高的场合。作为更加具体的描述，在传统的结构中，即使在钻孔喷嘴1后端设置了横置静叶，但是在具体的结构设计上，其两者是不同的设计构思，在横置静叶的作用上是为了进一步使气体扩张，而在本结构的设计中，不仅是需要进行扩张，进一步的还充分的利用这部分能耗，不会造成能耗的损失。
在上述具体结构的设计基础上，作为更加具体的设计，所述轮式转子4还包括过渡段43，所述过渡段43为光滑的弧面段，所述第一转子部41通过过渡段43与第二转子部42连接以实现过渡。
作为具体的描述，横置动叶2后端引入过渡段43，气流经过渡段43实现径流到轴流的转变，膨胀加速进入首级轴流动叶3栅，进而通过首级轴流动叶3栅实现与后续轴流级的衔接，后续级次为常规的轴流式透平级，具体级数、结构形式等可根据实际情况确定。在此设计中，首级横置动叶2、轴流动叶3和后续轴流透平级为单轴结构，即各级均位于同一根转子，结构简单。通过调整各级的焓降分配、设计参数等，使首级横置动叶2、轴流动叶3和后续轴流透平级的根径和顶径可以很好地衔接，使通流能够光滑过渡。
基于上述具体结构的设计基础上，所述横置动叶2装配于第一转子部41，其叶高方向与转子轴的轴向平行。更加具体的设计，横置动叶2在结构的设计上，其是以圆周阵列的排布方式设置于第一转子部41上的。具体的，横置动叶2分布的所在圆与轮式转子4转动的圆同圆心。因此，由于横置动叶2是成圈布置，而且是横向布置，不会产生额外的轴向推力，因此该装置的转子轴系与普通轴流透平不会有太大差异。
在上述具体结构的设计基础上，所述钻孔喷嘴1呈圆周阵列分布。更加具体的，钻孔喷嘴1分布的所在圆与轮式转子4转动的圆同圆心。
为了实现更好依据气流的流量来调整进气结构，作为具体的设计，所述钻孔喷嘴1为缩放喷嘴，其部分可打开，另一部分关闭；或者其全部可打开；或者其全部关闭。当然，作为具体的，当气流的流量充足，则可选择全部打开；而在不充足的状态先，可选择部分打开，保证钻孔喷嘴1的气压。当然，没有气流，可以实现所有钻孔喷嘴1的关闭。
在上述具体结构的设计基础上，所述钻孔喷嘴1和横置动叶2可拆卸的装配于第一转子部41上以便于调整。更加具体的，利用方便拆卸和组装的喷嘴、横置动叶2结构，降低加工成本、易于安装。
在本实施例中，作为对比：
相比常规的常规多级轴流式透平首级进气结构，本结构在应用于小流量大焓降的情况下，采用钻孔喷嘴和横置动叶的进气方式，可实现较大的膨胀比，符合透平形式的选取原则。同时可调整钻孔喷嘴的数量，匹配合适的部分进气度，适当增加叶高，解决常规多级轴流式透平进气因首级叶高较小而难以保证效率的难题，提高透平效率。即避免轴流式透平过小的结构尺寸，保证效率。
相比多级向心透平：本设计采用钻孔喷嘴和横置动叶的进气方式，实现气流由径向向轴向的转变，省去中间转向弯道结构，和后续轴流透平级采用同轴设计，可使整个透平结构简单、紧凑，进一步减小空间尺寸。同时，在小流量大焓降的情况下，常规向心透平普通存在叶高较小、加工难度大和成本高的难题，采用本发明的的设计结构，利用方便拆卸和组装的喷嘴、横置动叶结构，降低加工成本、易于安装。综上，该透平进气结构结构应用于小流量、大焓降，同时又对空间尺寸和结构简单要求较高的场合，具有很大的优势和应用前景。
实施例2
一种适用于大焓降小流量透平进气方法，包括以下步骤：
a、在轮式转子4上根据设计要求装配钻孔喷嘴1，在靠近钻孔喷嘴1的出气端装配横置动叶2，在横置动叶2的后端设计过渡段43，通过过渡段43后装配轴流动叶3；
b、气流从进气蜗壳出来后，进入钻孔喷嘴1组，气流在钻孔喷嘴1中完成膨胀加速后，进入横置动叶2；
c、气流在横置动叶2中进行做功后，气流再经轮式转子4的过渡段43实现气流由径向转变为轴向后，从而进入轴流动叶3，随后进入相匹配的下游轴流级，完成透平做功。
在上述具体的设计上，进一步的，步骤a所形成的进气结构和后续轴流级为同轴结构，横置动叶2、轴流动叶3和后续轴流级根径、顶径的匹配可通过调整焓降分配及各级设计参数来实现。
更具体的设计，步骤a中，在小流量大焓降的情况下，可调整钻孔喷嘴1的数量下降以匹配合适的部分进气度，并可增加叶高。
为了保证整体的效果，在步骤a中，所述钻孔喷嘴1按照圆周阵列分布的方式装配于轮式转子4上；所述横置动叶2也按照圆周阵列分布的方式装配于轮式转子4上。
综上所述：
1、本发明的一种适用于大焓降小流量透平进气结构及其方法在小流量、大焓降的透平工况下，首级采用钻孔喷嘴和横置动叶可避免常规轴流式透平叶高过小导致的效率低下，甚至相对于传统设置横置静叶而言，该设计更具备能耗利用率高的优势；
2、本发明的一种适用于大焓降小流量透平进气结构及其方法的首级横置动叶和后续轴流透平级采用同轴设计，可使整个透平结构简单、紧凑，该结构在对于装配空间的要求上更低，且更具备经济性和适用性，同时，由于横置动叶的设计，横置动叶不会产生额外的轴向推力，因此转子轴系与普通轴流透平没有太大差异。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种适用于大焓降小流量透平进气结构，其特征在于：包括轮式转子(4)，所述轮式转子(4)包括垂直于转子轴的第一转子部(41)，以及平行于转子轴的第二转子部(42)，所述第二转子部(42)上设置有多级轴流动叶(3)，所述第一转子部(41)上设置有多个用于气体膨胀加速的钻孔喷嘴(1)，在靠近钻孔喷嘴(1)的出气端口处所在的第一转子部(41)上还设置有用于驱动轮式转子(4)转动的横置动叶(2)，工质从进气腔室出来后，通过钻孔喷嘴(1)膨胀加速，高速的气流冲击横置动叶(2)，在进入轴流动叶(3)。
2.如权利要求1所述的一种适用于大焓降小流量透平进气结构，其特征在于：所述轮式转子(4)还包括过渡段(43)，所述过渡段(43)为光滑的弧面段，所述第一转子部(41)通过过渡段(43)与第二转子部(42)连接以实现过渡。
3.如权利要求1所述的一种适用于大焓降小流量透平进气结构，其特征在于：所述横置动叶(2)装配于第一转子部(41)，其叶高方向与转子轴的轴向平行。
4.如权利要求1所述的一种适用于大焓降小流量透平进气结构，其特征在于：所述钻孔喷嘴(1)呈圆周阵列分布。
5.如权利要求1所述的一种适用于大焓降小流量透平进气结构，其特征在于：所述钻孔喷嘴(1)为缩放喷嘴，其部分可打开，另一部分关闭；或者其全部可打开；或者其全部关闭。
6.如权利要求1所述的一种适用于大焓降小流量透平进气结构，其特征在于：所述钻孔喷嘴(1)和横置动叶(2)可拆卸的装配于第一转子部(41)上以便于调整。
7.一种适用于大焓降小流量透平进气方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、在轮式转子上根据设计要求装配钻孔喷嘴，在靠近钻孔喷嘴的出气端装配横置动叶，在横置动叶的后端设计过渡段，通过过渡段后装配轴流动叶；
b、气流从进气蜗壳出来后，进入钻孔喷嘴组，气流在钻孔喷嘴中完成膨胀加速后，进入横置动叶；
c、气流在横置动叶中进行做功后，气流再经轮式转子的过渡段实现气流由径向转变为轴向后，从而进入轴流动叶，随后进入相匹配的下游轴流级，完成透平做功。
8.如权利要求7所述的一种适用于大焓降小流量透平进气方法，其特征在于：步骤a所形成的进气结构和后续轴流级为同轴结构，横置动叶、轴流动叶和后续轴流级根径、顶径的匹配可通过调整焓降分配及各级设计参数来实现。
9.如权利要求7所述的一种适用于大焓降小流量透平进气方法，其特征在于：步骤a中，在小流量大焓降的情况下，可调整钻孔喷嘴的数量下降以匹配合适的部分进气度，并可增加叶高。
10.如权利要求7所述的一种适用于大焓降小流量透平进气方法，其特征在于：在步骤a中，所述钻孔喷嘴按照圆周阵列分布的方式装配于轮式转子上；所述横置动叶也按照圆周阵列分布的方式装配于轮式转子上。
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