CN1840867A - 涡轮排气装置及其改造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供可通过将流出导流板并流向凝结器的排气中的损失大的流动适当地分离来进一步提高压力恢复性能的涡轮排气装置及其改造方法。其具备：内包涡轮转子(1)的排气室内部罩(2)、与排气室内部罩(2)一起形成排气室(4)的排气室外部罩(5)、形成环状扩散风道的导流板(6)、用作将在从导流板(6)以放射状排出到排气室(4)的排气中的、包含竖直向上的流动的范围内流动的环带上部排气(30)与其它排气(32)分离并导向凝结器的机构且排气导入侧端面(41)位于比包含涡轮转子(1)的中心轴(21)的水平面(20)更靠上方的排气室上部导流板(40)。

Description

涡轮排气装置及其改造方法

技术领域

本发明涉及将驱动涡轮转子后的排气导向凝结器的涡轮排气装置及其改造方法。

背景技术

在具有凝结器的蒸汽涡轮设备中，通常，在涡轮内部完成工作的蒸汽(排气)通过排气室在压力恢复后由凝结器还原为水并进行循环。由于凝结器的内压由作为冷却水的海水的温度和流量大概确定，所以在排气室中的压力恢复幅度越大涡轮出口压力越低，故而使用涡轮的工作量增加，且涡轮驱动所需能量增加。因此，排气室的压力恢复性能对涡轮成套设备性能产生很大影响。

作为这种排气室，有将排气室外部罩以包含涡轮转子的中心轴的水平面附近为界而分割为上半侧罩和下侧的下半侧罩且将从导流板到吹出到上半侧罩内的排气和吹出到下半侧罩内的排气的凝结器的流路用隔离壁分隔的排气室(参照专利文献1特开昭52-93809号公报等)。根据该现有技术，通过将吹出到上半侧罩内的排气和吹出到下半侧罩内的排气用隔离壁分隔而使排气流量分成二份，可期待通过使在排气室内流动的排气流量分配恰当而提高排气室性能。

从导流板导入到凝结器的排气的流量损失因在与凝结器反方向流动的竖直向上的流动而为最大，因以其为中心吹出并随着方向在周向上移动而减小的竖直向下的流动而成为最小。作为其一个原因可举出：由于朝向下方的凝结器而向下的流动不突然转向所以散乱小且稳定的运行，与此相对，且越靠近竖直向上的流动则越在排气室外部罩和排气室内部罩来回反弹，并逐渐向下方流动，从而促进回旋成分而成为散乱大的流动。在考虑如此排气运转的情况下，由于通过将引起成为损失要因的回旋和剥离的散乱大的流动隔离到其它系统可抑制散乱大的流动对其它流动的影响，所以可降低排气整体的流动损失，且还可提高排气室的压力恢复性能。

但是，由于上半侧罩内的排气流动的全部并不一定是乱流，所以如上述现有技术般地考虑流量分配并在包含涡轮转子中心轴的水平面附近设置隔离壁且等分排气室内的排气流量，故而由与乱流混合而使得流动损失显著增大的流动具有很大的存在可能性。

发明内容

本发明鉴于以上问题，其目的是提供可通过将流出导流板并流向凝结器的排气中的损失大的流动适当地分离来进一步提高压力恢复性能的涡轮排气装置及其改造方法。

为实现上述目的，本发明的构成为：在涡轮排气装置中，将从比包含最终段动翼出口环带部的涡轮转子轴中心的水平面更上方位置排出的排气的一部分设定为环带上部排气时，将环带上部排气与其它排气分离并通过各自风道导向凝结器以使该环带上部排气不干涉其它排气。

根据本发明，可通过将流出导流板并流向凝结器的排气中的损失大的流动适当地分离来进一步提高压力恢复性能。

附图说明

图1是模式地表示涡轮排气装置基本构造的侧剖视图。

图2是图1中II-II剖面的剖视图。

图3是表示排气室内的环带上部排气的吹出范围的一个具体例的图。

图4是排气室内的排气动作的说明图。

图5是表示本发明第一实施方式的涡轮排气装置的概要构成和排气的流动概况的示意图。

图6是表示本发明第一实施方式的涡轮排气装置的概要构成和排气的流动概况的示意图。

图7是表示本发明第二实施方式的涡轮排气装置的详细构造的透视侧视图。

图8是表示本发明第二实施方式的涡轮排气装置的详细构造的透视主视图。

图9是用表示本发明第二实施方式的涡轮排气装置的详细构造的、包含涡轮中心轴的竖直面分割的一半部分的立体图。

图10是表示本发明第二实施方式的涡轮排气装置的详细构造的透视侧视图。

图11是表示本发明第二实施方式的涡轮排气装置的详细构造的透视主视图。

图12是用表示本发明第二实施方式的涡轮排气装置的详细构造的、包含涡轮中心轴的竖直面分割的一半部分的立体图。

图中：

1-涡轮转子              2-排气室内部罩         3-圆锥滚子轴承外圈

4-排气室                5-排气室外部罩         6-导流板

10-最终段动翼           11-最终段动翼出口环带

20-包含中心轴的水平面              21-涡轮转子的中心轴

23、24-与中心轴平行的竖直面    25、26-水平面和排气室外部罩的交线

27、28-包含交线和中心线的面        30-环带上部排气

32-其它排气             40-排气室上部导流板    41-排气导入侧端面

50-第二排气室上部导流板            51-排气导入侧端面

具体实施方式

下面使用附图来说明本发明的涡轮排气装置的实施方式。

图1是模式地表示涡轮排气装置基本构造的侧剖视图，图2是图1中II-II剖面的剖视图。

图示的涡轮排气装置将驱动涡轮转子后的排气导向下方凝结器(未图示)。该涡轮排气装置具备内包涡轮转子1的排气室内部罩2、覆盖涡轮转子1的轴承(未图示)的圆锥滚子轴承外圈3、与排气室内部罩2和圆锥滚子轴承外圈3一起形成与凝结器连接的排气室4的排气室外部罩5、在与圆锥滚子轴承外圈3之间形成环状扩散风道的导流板6。

上述排气室内部罩2在其内周侧具备由隔膜外廓和内廓支撑的静翼(未图示)，且与设置于涡轮转子1上的动翼(只显示最终端动翼10)一同形成涡轮段。通常，在排气室内部罩2的内周侧上环状地设有作为静翼的安装部的隔膜(未图示)。环状配置的静止侧的隔膜和转动侧的涡轮转子1经适当的间隙而相对。

排气室外部罩5覆盖排气室内部罩2及圆锥滚子轴承外圈3，通常在包含涡轮转子1的中心轴的水平面附近的高度分割为上下。其中的上半侧罩的外壁面如图2所示，其顶部剖面形成为弧状。一侧的下半侧罩的外壁面由水平剖面为矩形的框体形成。上述排气室4由该排气室外部罩5和排气室内部罩2及圆锥滚子轴承外圈3包围而形成。

上述圆锥滚子轴承外圈3被设计成连接到涡轮转子1的最终端动翼10的出口环带11的内周部。上述导流板6被设计成连接到最终端动翼出口环带11的外周部以包围该圆锥滚子轴承外圈3的外周侧。形成于该导流板6和圆锥滚子轴承外圈3之间的环状扩散风道驱动涡轮转子1并将通过最终端动翼10的出口环带的排气吹到排气室4。再有，由导流板6和圆锥滚子轴承外圈3形成的扩散风道其风道截面面积逐渐扩大，排气在通过该扩散风道时减速且减速部分的能量变换为压力而恢复排气压力。

从导流板6吹出到排气室4的排气呈放射状扩散。从导流板6的下半侧吹出的排气几乎不改变前进方向，原样地或一度撞击到排气室外侧罩5弹回而朝向下方的凝结器。另一方面，由于从导流板6的上半侧吹出的排气突然改变前进方向并朝向凝结器，所以产生流动的剥离和回旋流且流动损失易变得非常大。特别是，其一部分在通过导流板6后在排气室外部罩弹回，再撞击到排气室内部罩2。与通过涡轮转子1的轴中心的竖直线所成角度越小的流动则该现象越显著，并在被导入到凝结器中之前在排气室外部罩5和排气室内部罩2之间重复往返，这样，由于沿子午面(包含涡轮中心轴的面)施加回旋分量而强烈散乱，所以流动损失具有进一步增大的趋势。

通过从此类环带上部的流动而发生的强回旋流的发生原因及其影响是通过近年来的三维流体解析结果的详细分析而得到的新知识，是通过控制使排气室的扩散性能提高并使控制排气室内部的流动成为有某种程度的整齐的层构造，而初次认识到的机理，到目前为止还未曾明确。

本发明的最大特征为：通过将此类散乱增大则损失大的排气的流动(下为“环带上部排气”)与散乱减小则损失小的排气的流动(下为“其它排气”)隔离，避免环带上部排气干涉其它排气，防止受到环带上部排气的影响而其它排气的流动损失增大，可提高涡轮排气装置的压力恢复性能，进而实现蒸汽涡轮设备整体的性能提高。

在本发明中，环带上部排气的最广定义，是在从导流板6以放射状吹出到排气室4内的排气中的、包含竖直向上的流动的范围内流动的排气，其是从导流板6吹出到比包含涡轮转子1的中心轴的水平面更靠上侧部分的排气室内的排气的一部分。其它部分是除从导流板6吹出到排气室4内的排气整体中的环带上部排气外的排气。

本实施方式是将环带上部排气从其它排气分离并导向凝结器的手段，是在环带上部排气和其它排气的分离界面设有配置了排气导入侧的端面的排气室上部导流板(其一个实例的详情参照后面的图7-图9等)。环带上部排气和其它排气的分离界线即排气室上部导流板的排气导入侧端面位于比包含涡轮转子1的中心轴的水平面更上方之处。

而且，如果更理想地限定环带上部排气的定义，则环带上部排气可被认为是从导流板6吹出到排气室4内的排气中在排气室外部罩5反弹后其主流干涉排气室内部罩2的外周部的排气。用图3来说明这时的环带上部排气的吹出范围的一个具体例。

在图3中，使比包含涡轮转子1的中心轴21水平面20更靠上侧的排气室4为排气室上半部4a，使下侧为排气室下半部4b。与终端动翼出口环带11的外周部22相接且平行于中心轴21的竖直面23、24用交线25、26与上半侧的排气室外部罩5相交。在该实例中，环带上部排气和其它排气的分离界线例如沿包含交线25及中心轴21的面27和包含交线26及中心轴21的面28中的每个在导流板6和排气室外部罩5之间假设有两处。而且，如图4所示，使排气室上半部4a侧的最终端动翼出口环带11中的面27、28之间的区域为环带上部29，且使从该环带上部29以放射状吹出并流入到排气室上半部4a中的面27、28之间的区域的排气在图3中为环带上部排气30。从最终端动翼出口环带11的环带上部29以外的区域31吹出的环带上部排气30以外的排气为其它排气32。由于从最终端动翼出口环带11吹出并以放射状扩展的排气中的在排气室外部罩5上反弹的流动大体竖直向下地流动，所以竖直面23、24之间，在排气室外部罩5反弹的环带上部排气30的主流具有易于冲撞到排气室内部罩2上的倾向。

再有，虽然在图3中图示了以包含中心轴21的竖直面为界线左右对称地形成排气室的情况，但是本实例中的环带上部排气的吹出范围的定义也可适用于左右非对称的排气室。

图5及图6是表示本发明第一实施方式的涡轮排气装置的概要构成和排气的流动概要的示意图。图5是从与图1相同方向观察的图，是透视排气室外部罩5的内部的图，图6是在与图2相同截面观察的图。在这些图中，在与先前各图相同的部分标以相同标记而省略其说明。

如图5及图6所示，在本实施方式中，设有隔离壁(排气室上部导流板)40，该隔离壁40把排气室外部罩5和导流板6之间的朝向凝结器的排气风道隔离成使环带上部排气30和其它排气32分别通过的双系统排气风道以使环带上部排气30不与其它排气32干涉。

图7是表示本发明实施方式的涡轮排气装置的详细构造的透视侧视图，图8是其透视主视图，图9是用包含涡轮中心轴的竖直面分割的一半部分的立体图。在这些图中，与先前各图相同的部分标以相同标记而省略其说明。

如参照前面的图5及图6及图7-图9可知，排气室上部导流板40沿导流板6及排气室内部罩5的外周部而设，以排气导入侧的端面41为始端，从导流板6在排气室内部罩2侧延伸，并在朝其后下方弯曲而形成。排气导入侧端面41沿图3中成为分离界面的面27、28而配置，且在排气室上半部4a存在两个排气室上部导流板40，但是这些排气室上部导流板40连接到排气室下半部4b。设置排气室上部导流板40以将导流板6及排气室内部罩2和排气室外部罩5之间的空间完全隔断，且在排气室下半部4b完全覆盖排气室内部罩2的周围。因此，在整体观察的情况下，可将排气室上部导流板40考虑为一个。

根据此类构成，环带上部排气30从环带上部29吹出到排气室4内，从两个排气导入侧端面41之间越过排气室上部导流板40流入到排气室外部罩5的后端面42侧(图5中的左侧)的风道。对此，从环带上部29以外的区域31吹出的其它排气32不越过排气室上部导流板40并由排气室上部导流板40引导而导向下方。

从其它排气32分离的环带上部排气30通过在由排气室上部导流板40和排气室外部罩5所形成的扁平截面风道中流动，成为回旋分量(二次流动分量)降低的流动。而且，由于环带上部排气30通过排气室上部导流板40被流畅地导入到扁平截面风道中，所以可抑制扁平截面风道内的流动的突然转向，且可缩短向流动的主流方向的整流所必需的扁平截面风道的长度。而且，回旋分量降低的环带上部排气30在从排气室上部导流板40流出后在排气室出口部60的下流侧与其它排气32合流的同时被导入到凝结器61中。

再有，在图5及图6中，虽然排气室上部导流板40的凝结器方向的终端配置于排气室出口部60附近，但是也可配置于其上游侧或下游侧。而且，虽然只在图5及图6中图示凝结器61而在其它图中没有特别图示凝结器61，但是在本发明的涡轮排气装置的下部连接有凝结器61或连接凝结器和排气室外部罩5的连接体。

这样，能够将流出导流板40并朝向凝结器的排气中的损失大的环带上部排气30从其它排气32完全隔离。这时，由于在比包含涡轮中心轴21的水平面20更上方设有排气室上部导流板40的排气导入侧端面41，所以如果不与环带上部排气30混合则以较小损失将应导入到凝结器中的水平面20附近的排气和环带上部排气30分离。因此，即使与单以水平面20分离排气的情况比较，也可大幅降低排气整体的流动损失。特别是，在本实施方式中，由于将排气室上部导流板40的排气导入侧端面41沿图3的面27、28设置，所以可将通过在排气室外部罩5和排气室内部罩2之间往返而施加向子午面方向的回旋分量的损失特大的流动作为环带上部排气30而与其它排气32分离，且通过更适当的分离从结果看可扩大有效风道截面面积并可进一步提高压力恢复性能。其结果，可飞越地提高涡轮热效率及流体性能。

根据本实施方式，如上所述，可降低以由从环带上部29排出的排气所产生的强回旋流为原因的流动的剥离和偏流或回旋流所引起的混合损失和回旋损失等，且可促进与压力恢复一样的流动在排气室出口附近形成。因此，具有仅通过对已有的涡轮排气装置添加排气室上部导流板40便可容易地改造为本实施方式的涡轮排气装置的优点。

而且，在本实施方式中，由于可适当地分离环带上部排气30和其它排气32，所以不必过多地分割从导流板6吹出的排气，只通过一体的排气室上部导流板40分离为双系统便可得到充分的效果。如果增大排气的风道数则相应地增加排气风道内的支撑构造物，不仅构造变复杂而且与风道阻力增大也有联系。因此，虽然排气风道内的构造物尽可能地少是理想的，但是在本实施方式中，具有通过仅添加作为最小限度的支撑构造物的排气室上部导流板40而进行设置可实现大幅的性能提高的优点。

图10是表示本发明第二实施方式的涡轮排气装置的详细构造的透视侧视图，图11是其透视主视图，图12是用包含涡轮中心轴的竖直面分割的一半部分的立体图。在这些图中，在与先前各图相同的部分标以相同标记而省略其说明。

本实施方式在比排气室上部导流板40更上侧位置具有排气导入侧的端面51，在与排气室导流板40之间还具备仿形排气室导流板40而弯曲形成的第二排气室上部导流板50以确保通过环带上部排气的风道。其它构成与第一

实施方式相同。

第二排气室上部导流板50用弯曲面覆盖排气室外部罩5的后端面42上部的角部，且以流畅的曲线形成导流板40、50之间的风道。而且，虽然第二排气室上部导流板50的排气导入侧端面51在排气室上半部设有两个，但是这些排气导入侧端面51设于通过涡轮中心轴的竖直面附近的位置上，在两个排气室上部导流板40之间需要不产生排气流入的间隙。即，在本实施方式中，环带上部排气的全部导入到在涡轮轴向上形成二段构造的排气室上部导流板40、50之间所形成的流畅的排气风道中。

在本实施方式中，当然可获得与第一实施方式同样的效果。此外，在本实施方式中，可降低排气室上半部的后端面42上部的角部处的风道阻力，从而可通过使环带上部排气的流动流畅化而期待更好的效果。再有，在将已有设备改造为本实施方式的涡轮排气装置的情况下，只通过简单地添加排气室上部导流板40、50的改造即可。

再有，如上所述，在环带上部排气在排气室外部罩5和排气室内部罩2之间往返中施加子午面方向的回旋分量。即，如果能够抑制该往返运动则能够期待进一步提高压力恢复性能。于是，也可考虑使例如排气室上部导流板40由通过远离排气室内部罩2的位置且描绘流畅的曲线并朝向凝结器的管道形成，且成为在排气室内部罩2不产生反弹的构造。这时，该管道状的风道的曲率尽可能地小且极力避免排气在风道内撞击管壁，理想的是成为难以产生流动的突然转向的形状。如果可能，可考虑在排气室外部罩5的外部形成一部分伸的出管道状的风道。

Claims (10)

1.一种涡轮排气装置，将驱动涡轮转子后的排气导向凝结器，其特征在于，具备：

排气室内部罩，其内包上述涡轮转子；

排气室外部罩，其覆盖该排气室内部罩并与上述排气室内部罩一起形成与上述凝结器连接的排气室；

导流板，其与上述涡轮转子的最终端动翼出口环带的外周部连接而设，形成通过驱动上述涡轮转子而使通过了上述最终端动翼出口环带的排气吹出到上述排气室的环状扩散风道；

排气室上部导流板，其用作将从该导流板以放射状排出到上述排气室的排气中的、在包含竖直向上流动的范围内流动的环带上部排气与其它排气分离并导向凝结器的机构，且成为上述环带上部排气和其它排气的分离界面的排气导入侧的端面位于比包含上述涡轮转子的中心轴的水平面更靠上方的位置上。

2.一种涡轮排气装置，将驱动涡轮转子后的排气导向凝结器，其特征在于，具备：

排气室内部罩，其内包上述涡轮转子且在内周部具备在上述涡轮转子上设置的动翼和形成涡轮段的静翼；

圆锥滚子轴承外圈，其与上述涡轮转子的最终端动翼出口环带的外周部连接而设且在其内部空间中覆盖上述涡轮转子轴承；

排气室外部罩，其覆盖上述排气室内部罩及上述圆锥滚子轴承外圈，与排气室内部罩和圆锥滚子轴承外圈一起形成与上述凝结器连接的排气室；

导流板，其与上述最终端动翼出口环带的外周部连接而设以包围上述圆锥滚子轴承外圈外周侧，在与上述圆锥滚子轴承外圈之间形成通过驱动上述涡轮转子而使通过了上述最终端动翼出口环带的排气吹出到上述排气室的环状扩散风道；

排气室上部导流板，其用作将从该导流板以放射状排出到上述排气室的排气中的、包含竖直向上流动的范围内流动的环带上部排气与其它排气分离并导向凝结器的机构，且成为上述环带上部排气和其它排气的分离界面的排气导入侧的端面位于比包含涡轮转子的中心轴的水平面更靠上方的位置上。

3.根据权利要求1所述的涡轮排气装置，其特征在于：

上述排气室上部导流板的排气导入侧的端面与上述最终端动翼出口环带的外周部连接，且沿包含平行于上述涡轮转子中心轴的竖直面与上述排气室外部罩相交的交线和上述涡轮转子中心轴的面配置。

4.根据权利要求1所述的涡轮排气装置，其特征在于：

上述排气室上部导流板做成隔离壁，其将上述排气室外部罩和上述导流板之间的排气风道隔离成使上述环带上部排气和其它排气分别通过的双系统排气风道以使上述环带上部排气不与其它排气干涉。

5.根据权利要求1所述的涡轮排气装置，其特征在于：

上述排气室上部导流板沿上述导流板及上述排气室内部罩的外周部而设，且将上述排气导入侧的端面作为开始端而从上述导流板延伸到上述排气室内部罩侧，并朝向其后下方而弯曲形成。

6.根据权利要求5所述的涡轮排气装置，其特征在于：

在比上述排气室上部导流板更靠上侧位置具有排气导入侧的端面，且在与上述排气室导流板之间还具备仿形上述排气室导流板而弯曲形成的第二排气室上部导流板以确保通过上述环带上部排气的风道。

7.根据权利要求1所述的涡轮排气装置，其特征在于：

使上述排气室上部导流板由通过远离上述排气室内部罩的位置并朝向上述凝结器的管道形成。

8.一种涡轮排气装置的改造方法，其特征在于：

在具备内包上述涡轮转子的排气室内部罩、覆盖该排气室内部罩并与上述排气室内部罩一起形成与上述凝结器连接的排气室的排气室外部罩、与上述涡轮转子的最终端动翼出口环带的外周部连接而设且形成通过驱动上述涡轮转子而使通过上述最终端动翼出口环带的排气吹出到上述排气室的环状扩散风道的导流板的涡轮排气装置的改造方法中，

还添加排气室上部导流板，其用作将在从导流板以放射状排出到上述排气室的排气中的、包含竖直向上的流动的范围内流动的环带上部排气与其它排气分离并导向凝结器的机构，且成为上述环带上部排气和其它排气的分离界面的排气导入侧的端面比位于包含上述涡轮转子的中心轴的水平面更靠上方并沿上述导流板和上述排气室内部罩的外周部而设。

9.一种涡轮排气装置的改造方法，其特征在于：

在具备内包涡轮转子且在内周部具备在上述涡轮转子上设置的动翼和形成涡轮段的静翼的排气室内部罩、与上述涡轮转子的最终端动翼出口环带的外周部连接而设且在其内部空间覆盖上述涡轮转子轴承的圆锥滚子轴承外圈、覆盖上述排气室内部罩及上述圆锥滚子轴承外圈且与排气室内部罩和圆锥滚子轴承外圈一起形成与上述凝结器连接的排气室的排气室外部罩、与上述最终端动翼出口环带的外周部连接而设以包围上述圆锥滚子轴承外圈外周侧并在与上述圆锥滚子轴承外圈之间形成通过驱动上述涡轮转子而使通过上述最终端动翼出口环带的排气吹出到上述排气室的环状扩散风道的导流板的涡轮排气装置的改造方法中，

还添加排气室上部导流板，其用作将在从上述导流板以放射状排出到上述排气室的排气中的、包含竖直向上的流动的范围内流动的环带上部排气与其它排气分离并导向凝结器的机构，且成为上述环带上部排气和其它排气的分离界面的排气导入侧的端面比位于包含上述涡轮转子的中心轴的水平面更靠上方并沿上述导流板和上述排气室内部罩的外周部而设。

10.根据权利要求8所述的涡轮排气装置，其特征在于：

在比上述排气室上部导流板更靠上侧位置具有排气导入侧的端面，且在与上述排气室导流板之间还具备仿形上述排气室导流板而弯曲形成的第二排气室上部导流板以确保通过上述环带上部排气的风道。

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