CN1474033A - 涡流轮式汽轮机 - Google Patents

Abstract

一种涡流轮式汽轮机，包括机座、机座前端的高压蒸汽进入及控制装置和前端支撑装置、机座后端的后端支撑装置，定子与缸体为一体化结构，转子芯轴设置在前、后端支撑装置上，其高压端设有做功的向心冲动级，低压端设有做功的离心冲动级，离心冲动级后端设有排汽室。旋转机理新颖，结构简单紧凑，运动件刚性好，抗热应力强，安全可靠性高。采用无叶片轮式转子、定子与缸体为一体化结构和波纹形的缸壳体，缸体轴向尺寸小、重量轻、通用性强，制造简单方便，原材料耗量少，制造成本低，维护、维修方便。尤其是工作介质蒸汽在机内能量转换过程中能量损失小，效率高，即使遇到超速或蒸汽中混有大量水分进入机内，也不会引发叶栅轮或转子损毁的重大事故。

Description

涡流轮式汽轮机

技术领域    本发明涉及专用于转子上有压力速度转换，例如由转子中喷出的喷流作用而旋转的转子的汽轮机，尤其涉及一种涡流轮式汽轮机。

背景技术    现有广泛应用于工业生产的传统汽轮机，大多是叶片式汽轮机，不论是凝汽式、背压式，还是抽汽式、中间再热式，其基本结构大体相同，都是多压力级结构，靠工作介质蒸汽的膨胀做功，包括进汽室、叶片、转子、定子、主轴、排汽室等，热效率低，结构复杂，叶片要特制，制造很困难，成本比较高，而且操作与维护要求严格，运行安全性差，在应用中易发生事故，造成不同程度的经济损失，甚至是严重的毁机损失。

发明内容    为弥补现有技术的缺陷，本发明提出一种涡流轮式汽轮机，采用的技术方案如下：

一种涡流轮式汽轮机，包括机座、机座前端的高压蒸汽进入及控制装置和前端支撑装置、机座后端的后端支撑装置，其特征是：

定子与缸体为一体化结构。

转子芯轴设置在前、后端支撑装置上，其高压端设有做功的向心冲动级，低压端设有做功的离心冲动级，离心冲动级后端设有排汽室。

这种涡流轮式汽轮机的进一步特征是：

上述的向心冲动级的结构沿径向从外到内依次是缸壳体、由缸壳体和定子形成的外汽室、定子向心叶栅、转子向心叶栅和转子向心叶栅轮上的内汽室，相邻的定子、转子向心叶栅之间分别形成设有渐缩放汽道段的定子、转子向心缩放汽道。

上述的离心冲动级的结构沿径向从内到外依次是转子离心叶栅轮上的内汽室、转子离心叶栅、定子离心叶栅、由缸壳体和定子形成的外汽室和缸壳体，相邻的转子、定子离心叶栅之间分别形成设有渐缩放汽道段的转子、定子离心缩放汽道。

上述转子芯轴上依次设有前端轴套、至少一组中间轴套和后端轴套，各轴套分别用径向定位键套装转子向心叶栅轮和转子离心叶栅轮。

这种涡流轮式汽轮机的再进一步特征是：

上述缸体可以由至少2块缸壳体组成。

上述定子与缸体为一体化积木式结构，向心冲动级和离心冲动级之间还设有至少一对向心冲动级和离心冲动级，并且所有向心冲动级和离心冲动级相互交错拼合设置。

上述定子与缸体为一体化圆锥台状结构，向心冲动级和离心冲动级的后一级的半径大于前一级，缸壳体是波纹形。

各相邻外汽室之间设有嵌装半环，在各外汽室的最低位置处，设有以使其内凝结水排尽的排水接管。

转子向心叶栅轮、转子离心叶栅轮之间设有级间隔离环，由柱销连接成一体。

环形进汽室中设有进汽口、内汽道隔栅和分汽道。

排汽室是上、下两半部结构，用紧固件连接成一体。

排汽室设有观察排汽状况的视镜，其排汽口设有与凝汽设备管道相连接的异形法兰。

定子叶栅轮、排汽定子叶栅轮、嵌装半环和环形汽室半壳体的沟道中分别设有轴向汽封组件。

转子向心叶栅轮、离心叶栅轮的非缩放汽道部分是降低自重的减薄结构。

转子轴向液压限位组件设置在后端汽封组件和后端液封组件之间。

转子主轴的前、后端设有包括压环和螺母的轴向定位件。

本发明的缸壳体是波纹形，其大曲面的连接可以有效地吸收、传递和削弱因热膨胀变形所产生的热应力对机体的危害，降低热应力对机体的负面作用，弥补了现有汽轮机缸体在高温、高压状态下持续工作时，所产生的热应力不能自行补偿的缺陷。还设有内有渐缩放汽道段的转子、定子向心缩放汽道和离心缩放汽道，使高压蒸汽在其间的速度发生较大的变化，在蒸汽内部粘滞阻力、压强不均匀等因素的影响下始终保持具有涡量的流动即涡流，并通过涡流状蒸汽流的向心、离心喷射，分别产生冲动正反作用力，轮式转子正是在这种冲动正、反作用力的驱动下旋转做功。

本发明对照现有技术的有益效果是，旋转机理新颖，结构简单紧凑，运动件刚性好，抗热应力强，安全可靠性高。采用无叶片轮式转子、定子与缸体为一体化结构和波纹形的缸壳体，缸体轴向尺寸小、重量轻、通用性强，制造简单方便，原材料耗量少，制造成本低，维护、维修方便。尤其是工作介质蒸汽在机内能量转换过程中能量损失小，效率高，即使遇到超速或蒸汽中混有大量水分进入机内，也不会引发叶栅轮或转子损毁的重大事故。

附图说明    本发明有以下附图：

图1是本发明的剖视结构示意图；

图2是本发明的向心冲动级即图1中A-A剖面示意图；

图3是图2中C区局部放大示意图；

图4是本发明的离心冲动级即图1中B-B剖面示意图；

图5是图4中D区局部放大示意图；

图6是本发明的与定子为一体化结构的缸体的剖视结构示意图；

图7是图6中E-E剖面示意图；

图8是图7中J区局部放大示意图；

图9是图6中F-F剖面示意图；

图10是图9中K区局部放大示意图；

图11是图6中G-G剖面示意图；

图12是图6中H-H剖面示意图；

图13是图6中I区局部放大示意图；

图14是图6中轴向汽封组件的一个汽封单元的结构示意图；

图15是图14中L-L剖面示意图；

图16是本发明的转子的剖视结构示意图；

图17是转子的向心冲动级即图16中M-M剖面示意图；

图18是转子的离心冲动级即图16中N-N剖面示意图。

附图标记：1、中间前缸上壳体，2、中间前缸下壳体，3、中间后缸上壳体，4、中间后缸下壳体，5、环形进汽室半壳体，6、排汽口，7、排汽室，8、定子，9、定子叶栅轮，10、外汽室，11、定子离心叶栅，12、定子向心叶栅，13、环形定子叶栅轮，14、环形进汽室，15、排汽定子叶栅轮，16、定子向心缩放汽道，17、定子离心缩放汽道，18、转子旋转方向，19、嵌装半环，20、进汽口，21、内汽道隔栅，22、分汽道，23、轴向汽封组件，24、视镜，25、排水接管，26、扇形片，27、扇形隔片，28、圆锥销，29、汽封单元，30、转子，31、前端盖，32、后端盖，33、转子向心叶栅，34、转子离心叶栅，35、转子向心叶栅轮，36、转子离心叶栅轮，37、级间隔离环，38、内汽室，39、转子向心缩放汽道，40、轴间隔环，41、转子离心缩放汽道，42、前端轴套，43、中间轴套，44、后端轴套，45、转子芯轴，46、机座，47、蒸汽进汽口，48、主进汽阀，49、环形汽室主蒸汽流，50、向心蒸汽流，51、离心蒸汽流。

具体实施方式    一种涡流轮式汽轮机

这种涡流轮式汽轮机，包括机座46、机座46前端的高压蒸汽进入及控制装置和前端支撑装置、机座46后端的后端支撑装置，其特征是：

定子8与缸体为一体化结构。

设在前端、后端支撑装置上的转子芯轴45的高压端设有做功的向心冲动级，低压端设有做功的离心冲动级，离心冲动级后端设有排汽室7。

上述的向心冲动级的结构沿径向从外到内依次是缸壳体、由缸壳体和定子8形成的外汽室10、定子向心叶栅12、转子向心叶栅33和转子向心叶栅轮35上的内汽室38，相邻的定子、转子向心叶栅12、33之间，分别形成设有渐缩放汽道段的定子、转子向心缩放汽道16、39。

上述的离心冲动级的结构沿径向从内到外依次是转子离心叶栅轮36上的内汽室38、转子离心叶栅34、定子离心叶栅11、由缸壳体和定子8形成的外汽室10和缸壳体，相邻的转子、定子离心叶栅34、11之间，分别形成设有渐缩放汽道段的转子、定子离心缩放汽道41、17。

上述转子芯轴45上依次设有前端轴套42、至少一组中间轴套43和后端轴套44，各轴套分别用径向定位键套装转子向心叶栅轮35和转子离心叶栅轮36。

上述定子8与缸体为一体化积木式结构，向心冲动级和离心冲动级之间还设有多对向心冲动级和离心冲动级，并且所有向心冲动级和离心冲动级相互交错拼合设置。

上述定子8与缸体为一体化圆锥台状结构，向心冲动级和离心冲动级的后一级的半径大于前一级。缸壳体是波纹形，包括波纹形的中间前缸上、下壳体1、2和波纹形的中间后缸上、下壳体3、4，还有环形进汽室半壳体5。

定子8是设置在波纹形的中间前缸上、下壳体1、2和波纹形的中间后缸上、下壳体3、4内，包括首级环形定子叶栅轮13、分别由半径渐次增大的定子叶栅轮9和外汽室10拼合配置组成的多级中间定子单元和最后级排汽定子叶栅轮15，定子叶栅轮9的前、后端面分别设有是能量交换主要载体的定子离心、向心叶栅11、12，首级环形定子叶栅轮13是处在环形进汽室14中的向心冲动级，设有是能量交换主要载体的定子向心叶栅12，第二级是离心冲动级，设有是能量交换主要载体的定子离心叶栅11，以下向心冲动级与离心冲动级相互交错拼合设置，最后级排汽定子叶栅轮15处在排汽室7中，以上各相邻的定子向心叶栅12之间形成设有渐缩放汽道段的定子向心缩放汽道16，各相邻的定子离心叶栅11之间形成设有渐缩放汽道段的定子离心缩放汽道17，定子向心缩放汽道16与定子离心缩放汽道17之间是外汽室10的使膨胀做功后的蒸汽流改变方向的无渐缩放汽道。

首级环形定子叶栅轮13是处在环形进汽室14中的向心冲动级，设有是能量交换主要载体的定子向心叶栅12，第二级是离心冲动级，设有是能量交换主要载体的定子离心叶栅11，以下向心冲动级与离心冲动级相互交错拼合配置，最后级是处在排汽室7中的排汽定子叶栅轮15，以上各相邻的定子向心叶栅12之间形成设有渐缩放汽道段的定子向心缩放汽道16，各相邻的定子离心叶栅11之间形成设有渐缩放汽道段的定子离心缩放汽道17，定子向心缩放汽道16与定子离心缩放汽道17之间是外汽室10的使膨胀做功后的蒸汽流改变方向的无渐缩放汽道。

中间前、后上下缸壳体1、2、3、4之间用紧固件连接。

各级定子叶栅轮9，设置在相应外汽室10的沟道中，都是上下两半圆结构。

各相邻外汽室10之间设有嵌装半环19。

在各外汽室10的最低位置处，设有以使其内凝结水排尽的排水接管20。

环形进汽室14中设有进汽口21、内汽道隔栅22和分汽道23。

废蒸汽的排汽室7是上、下两半部结构，用紧固件连接成一体。

废蒸汽的排汽室7设有观察排汽状况的视镜25，其排汽口设有与凝汽设备管道相连接的异形法兰。

定子叶栅轮9、排汽定子叶栅轮15、嵌装半环19和环形汽室半壳体5的沟道中分别设有轴向汽封组件23。

轴向汽封组件23是至少一块由扇形片26、扇形隔片27和圆锥销28组成的汽封单元29。

转子30是与定子叶栅轮9相对应的积木式圆锥台状轮式结构，前、后端盖31、32分别是高、低压级，前端盖的后端面设有是能量交换主要载体的转子向心叶栅33，后端盖的前端面设有是能量交换主要载体的转子离心叶栅34，前、后端盖之间交错配置多对半径渐次增大的转子离心叶栅轮36、转子向心叶栅轮35，转子向心叶栅轮35的后端面、转子离心叶栅轮36的前端面也分别设有是能量交换主要载体的转子向心、离心叶栅33、34，转子向心叶栅轮35和转子离心叶栅轮36间设有级间隔离环37。

以上各相邻的转子向心叶栅33之间形成设有渐缩放汽道段的转子向心缩放汽道39，各相邻的转子离心叶栅34之间形成设有渐缩放汽道段的转子离心缩放汽道41，转子向心缩放汽道39与转子离心缩放汽道41之间是内汽室38的使膨胀做功后的蒸汽流改变方向的无渐缩放汽道，内汽室38的曲面处设有轴间隔环40。

转子芯轴45上依次设有前端轴套42、中间轴套43和后端轴套44，各轴套分别用径向定位键套装有前端盖31、多组转子向心叶栅轮35、转子离心叶栅轮36和后端盖32。

转子向心叶栅轮35、转子离心叶栅轮36的非缩放汽道部分是降低自重的减薄结构。

转子向心叶栅轮35、转子离心叶栅轮36以及其间的中间压力级间隔离环37，由柱销连接成一体。

转子轴向液压限位组件设置在后端汽封组件和后端液封组件之间。

转子芯轴45的前、后端设有包括压环和螺母的轴向定位件。

本具体实施方式的工作过程，即将高压蒸汽的热能转换为机械能的过程如下：

高压蒸汽由主进汽阀48经蒸汽进汽口47进入环形进汽室14，环形汽室主蒸汽流49再配送至周向进汽口20进入首级的向心冲动级被压缩、升压、膨胀做功。

分别进入环形定子叶栅轮13中各相邻定子向心叶栅12之间形成的定子向心缩放汽道16的蒸汽流，在渐缩汽道段流动过程中被逐渐压缩，当向心蒸汽流50流动至汽道最小截面a-b处时，其压力不断升高。

升压后的向心蒸汽流50从最小截面a-b处流出，进入渐放汽道段迅速膨胀，并高速冲击转子向心叶栅33的冲动曲面，对转子向心叶栅33曲面产生第一次正作用力，获得第一次对转子30周向推力，使转子30沿转子旋转方向18旋转。

第一次膨胀做功后的向心蒸汽流50进入转子向心缩放汽道39的渐缩汽道段，再次被逐渐压缩，其压力继续上升，当向心蒸汽流50流动至汽道最小截面c-d处时，其压力再次升高。

升压后的向心蒸汽流50从最小截面c-d处流出，进入渐放汽道段迅速膨胀，对下一级再次喷射作功，高速冲击转子向心叶栅33的冲动曲面，又对转子向心叶栅33曲面产生第二次反作用力，获得第二次对转子30周向推力，使转子30沿转子旋转方向18旋转，由此完成了向心蒸汽流50对转子30周向的第一次正向作用力和第二次反向作用力。

完成二次膨胀做功后的向心蒸汽流50，通过无渐缩放汽道的内汽室38，并以涡旋流状进入下一级即第二级的离心冲动级继续被压缩、升压、膨胀做功。

向心蒸汽流50在内汽室38转向为离心蒸汽流51后，分别进入离心冲动级的各相邻的转子离心叶栅34之间形成的转子离心缩放汽道41的渐缩汽道段，在流动过程中被逐渐压缩，当离心蒸汽流51流动至汽道最小截面e-f处时，其压力不断升高。

升压后的离心蒸汽流51从最小截面e-f处流出，进入渐放汽道段迅速膨胀，对下一级再次喷射作功，高速冲击转子离心叶栅34冲动曲面，对转子离心叶栅34产生反作用力，使转子30沿转子旋转方向18旋转。

膨胀做功后的离心蒸汽流51转向进入定子离心缩放汽道17的渐缩汽道段，再次被逐渐压缩，以保持汽道最小截面e-f至最小截面g-h之间的区域稳定在设定的压力值。当离心蒸汽流51流动至汽道最小截面g-h后，得到一定限度地膨胀，并通过无渐缩放汽道的外汽室10，并仍然以涡旋流状进入下一级即第三级的向心冲动级，转向为向心蒸汽流50继续被压缩、升压、膨胀做功。

膨胀做功后的向心蒸汽流50，通过无缩放汽道的内汽室38，并仍然以涡旋流状进入第四级的离心冲动级，又转向为离心蒸汽流51继续被压缩、升压、膨胀做功。

高压蒸汽交替以向心冲动方式和离心冲动方式，持续向后逐级循环，对转子30中各级叶轮进行膨胀冲击做功，充分利用蒸汽的热能，驱动转子30旋转，蒸汽热能转换成为机械能。

完全膨胀做功后的废蒸汽，经过末级排汽级进入排汽室7，从排汽口6送至凝汽设备进行处理。

Claims (10)

1、一种涡流轮式汽轮机，包括机座、机座前端的高压蒸汽进入及控制装置和前端支撑装置、机座后端的后端支撑装置，其特征是：

1·1定子与缸体为一体化结构；

1·2转子芯轴设置在前、后端支撑装置上，其高压端设有做功的向心冲动级，低压端设有做功的离心冲动级，离心冲动级后端设有排汽室。

2、如权利要求1所述的涡流轮式汽轮机，其特征是所述的向心冲动级的结构沿径向从外到内依次是缸壳体、由缸壳体和定子形成的外汽室、定子向心叶栅、转子向心叶栅和转子向心叶栅轮上的内汽室，相邻的定子、转子向心叶栅之间分别形成设有渐缩放汽道段的定子、转子向心缩放汽道。

3、如权利要求1所述的涡流轮式汽轮机，其特征是所述的离心冲动级的结构沿径向从内到外依次是转子离心叶栅轮上的内汽室、转子离心叶栅、定子离心叶栅、由缸壳体和定子形成的外汽室和缸壳体，相邻的转子、定子离心叶栅之间分别形成设有渐缩放汽道段的转子、定子离心缩放汽道。

4、如权利要求1所述的涡流轮式汽轮机，其特征是转子芯轴上依次设有前端轴套、至少一组中间轴套和后端轴套，各轴套分别用径向定位键套装转子向心叶栅轮和转子离心叶栅轮。

5、如权利要求1或2或3所述的涡流轮式汽轮机，其特征是所述的缸体可以由至少2块缸壳体组成。

6、如权利要求1或2或3所述的涡流轮式汽轮机，其特征是所述的定子与缸体为一体化积木式结构，向心冲动级和离心冲动级之间还设有至少一对向心冲动级和离心冲动级，并且所有向心冲动级和离心冲动级相互交错拼合设置。

7、如权利要求1或2或3所述的涡流轮式汽轮机，其特征是所述的定子与缸体为一体化圆锥台状结构，向心冲动级和离心冲动级的后一级的半径大于前一级，缸壳体是波纹形。

8、如权利要求6所述的涡流轮式汽轮机，其特征是所述的定子与缸体为一体化圆锥台状结构，向心冲动级和离心冲动级的后一级的半径大于前一级，缸壳体是波纹形。

9、如权利要求2或3所述的涡流轮式汽轮机，其特征是各相邻外汽室之间设有嵌装半环，在各外汽室的最低位置处，设有以使其内凝结水排尽的排水接管。

10、如权利要求2或3所述的涡流轮式汽轮机，其特征是转子向心叶栅轮、转子离心叶栅轮之间设有级间隔离环，由柱销连接成一体。

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