CN211900702U - 一种带有空心喷嘴叶片的组合式透平结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种带有空心喷嘴叶片的组合式透平结构，包括至少一向心式透平和设置在向心透平下游的至少一级轴流透平，向心透平的喷嘴叶片为空心结构，高压气流经过设置在气缸进气道中的调节阀后，先进入向心透平做功，叶轮排气再折转通过喷嘴叶片的轴向气流通道进入下游透平中继续做功。本实用新型通过首级采用向心式叶轮，可以满足小体积流量、大焓降的设计要求，迅速降低工质的温度和压力，容易实现喷嘴全周进气或提升喷嘴的部分进气度，以提高透平的气动效率、减小叶轮所受的气流激振力；此外，向心透平出口气体在通过轴向气流通道时，可对喷嘴叶片进行冷却，降低对叶片材料耐高温的要求，提升叶片的使用寿命。

Description

一种带有空心喷嘴叶片的组合式透平结构

技术领域

本实用新型属于透平机械技术领域，涉及一种组合式透平结构，具体地说是一种带有空心喷嘴叶片的组合式透平结构，通过首级采用向心式叶轮，可以满足小体积流量、大焓降的设计要求，迅速降低工质的温度和压力，容易实现喷嘴全周进气或提升喷嘴的部分进气度，以提高透平的气动效率、减小叶轮所受的气流激振力；此外，向心叶轮出口气体再通过喷嘴叶片的空心部分时，可以对该叶片进行冷却，降低对叶片材料耐高温的要求，提升叶片的使用寿命。因此，对于小体积流量、高进气温度的技术要求，该结构能明显提升机组的效率、结构紧凑性和运行可靠性，适用于蒸汽轮机、压缩空气储能膨胀机、超临界二氧化碳膨胀机、燃气轮机、航空发动机、有机工质透平等各类机组中。

背景技术

透平膨胀机组在能源、动力领域应用广泛，适用的工作介质类型、压力、温度、转速、功率、叶片级数等设计参数各不相同。

首先，对于进气压力高、温度高的透平机组，一般其第一个膨胀级的进口体积流量也较小，如果第一级采用轴流式叶轮结构，则叶片的高度较小，将会导致能量损失大、气动效率低，设计者一般会采用部分进气结构方案以增大第一级的叶片高度，但部分进气结构会导致第一个级动叶受到喷嘴出口周期性气流产生的强烈的激振力，对第一级动叶的结构、强度、使用寿命设计带来很大挑战。在蒸汽轮机应用领域中，第一个膨胀级常称为调节级，运行中经常出现叶片振动、断裂的情况，严重影响了机组的安全可靠性。

此外，目前火力发电用蒸汽轮机正朝着更高进气温度(620℃以上)、压力(31MPa以上)的方向发展，以进一步提升系统效率、降低煤耗，这样对第一个膨胀级的冷却结构、叶片材料提出了更高的要求，首级喷嘴叶片往往需要额外通入中低温蒸汽进行冷却，使得进口的高温蒸汽不对喷嘴叶片造成破坏或者减少叶片的使用寿命。

实用新型内容

针对现有技术的以上现状和存在的缺点不足，本实用新型提出了一种带有空心喷嘴叶片的组合式透平结构，通过首级采用向心式叶轮，可以满足小体积流量、大焓降的设计要求，迅速降低工质的温度和压力，容易实现喷嘴全周进气或提升喷嘴的部分进气度，以提高透平的气动效率、减小叶轮所受的气流激振力，此外，向心叶轮出口气体再通过喷嘴叶片的空心部分时，可以对该叶片进行冷却，降低了对叶片材料耐高温的要求，提升叶片的使用寿命，使得透平叶片可以不采用昂贵的高温合金材料就能适应更高的进气温度，具有良好的应用前景。因此，对于小体积流量、高进气温度的技术要求，本实用新型的带有空心喷嘴叶片的组合式透平结构能明显提升机组的效率、结构紧凑性和运行可靠性，适用于蒸汽轮机、压缩空气储能膨胀机、超临界二氧化碳膨胀机、燃气轮机、航空发动机、有机工质透平等各类机组中。

为了达到上述技术目的，本实用新型的解决方案如下：

一种带有空心喷嘴叶片的组合式透平结构，包括气缸、主轴、设置在首级的向心透平和设置在所述向心透平下游的至少一级轴流透平，所述气缸包括气缸进气道，其特征在于，

所述气缸上还固定设置一沿轴向布置的向心叶轮喷嘴环，且所述向心叶轮喷嘴环同心套设在所述向心透平的径向外周，所述向心叶轮喷嘴环包括一前挡板、一后挡板以及位于所述前挡板与后挡板之间并沿周向均匀分布的多个喷嘴叶片，相邻两所述喷嘴叶片之间的空间形成为径向气流通道，每一所述径向气流通道的进气口正对所述气缸进气道的环形出气口，每一所述径向气流通道的出气口正对所述向心透平的进气口，

每一所述喷嘴叶片在轴向上均为两端开口的空心结构，且所述前挡板、后挡板上与每一所述空心结构正对的部分均开设有与所述开口形状相适配的通气口，每一所述空心结构与设置在其两端的所述通气口均形成一轴向气流通道，

所述气缸上还形成一折流通道，所述折流通道的进气口正对所述向心透平的排气口，所述折流通道的出气口正对所述向心叶轮喷嘴环的各轴向气流通道，且所述折流通道的进气反向与排气反向在轴向上相反。

本实用新型的带有空心喷嘴叶片的组合式透平结构中，通过所述气缸进气道引入高压气流，高压气流经过所述向心叶轮喷嘴环上的各径向气流通道后，进入向心透平膨胀做功，向心透平的排气在所述气缸的折流通道中折转反向后进入所述向心叶轮喷嘴环上的各轴向气流通道，之后进入下游的各级轴流透平中继续做功。

本实用新型的带有空心喷嘴叶片的组合式透平结构中，所述向心叶轮喷嘴环中的各喷嘴叶片均为两端开口的空心结构，相邻各喷嘴叶片之间的径向气流通道用于气流加速、折转、推动向心透平做功，各喷嘴叶片的轴向空心部分即轴向气流通道用于使向心透平出口气体通过，进入下一级透平继续做功。此外，各喷嘴叶片的空心部分可以用于冷却叶片，使得高温气体不会对喷嘴叶片造成破坏或者削减叶片的使用寿命。

本实用新型的带有空心喷嘴叶片的组合式透平结构中，所述向心叶轮喷嘴环中的各喷嘴叶片，其实体部分的壁厚根据强度、刚度、热应力计算确定；各喷嘴叶片的空心部分形成的轴向气流通道的横截面积之和大于或等于向心透平的出口面积即可，这样使得气流在通过喷嘴叶片的空心轴向气流通道时不会因为节流效应而产生明显的压力损失；叶片空心轴向气流通道前后的流道面积与叶片的空心通道面积应为光滑过渡，通道之前的收缩或通道之后扩张角最大不超过45°，以避免产生明显的回流区域。如果喷嘴叶片的强度、刚度不够，或者空心通流面积不够时，可以增大喷嘴叶片的外圆直径(即增加了叶片的实体和空心部分的尺寸)。

本实用新型的带有空心喷嘴叶片的组合式透平结构中，所述向心叶轮喷嘴环中的各喷嘴叶片，若做成整体或上下半组合结构，则可以采用悬挂销和底键进行定位、调中心、防转；若采用单个叶片装配式结构，则直接安装到气缸体或隔板套的止口槽上。

本实用新型的带有空心喷嘴叶片的组合式透平结构中，所述向心透平的最大外径由级焓降、转子转速、强度/材料确定。叶尖线速度越大，则级焓降越大，向心透平的出口温度和压力越低。

本实用新型的带有空心喷嘴叶片的组合式透平结构中，所述向心透平可以热套/冷套安装在主轴上，也可以通过平键、拉杆/锁紧螺母、长螺杆/螺母、端面齿、花键与主轴连接，进行机械功率的传输，也可以直接在整锻转子上铣制出叶轮流道。

本实用新型的带有空心喷嘴叶片的组合式透平结构中，所述向心透平可以为带有轮盖的闭式结构，也可以为无轮盖的开式叶轮，叶轮背部可以开圆弧槽进行减重，根据强度应力以及结构设计要求确定。

本实用新型的带有空心喷嘴叶片的组合式透平结构中，所述向心透平可以通过主轴上的台阶、卡环、卡套结构来保证运转过程中不会沿主轴发生轴向相对滑脱位移。

本实用新型的带有空心喷嘴叶片的组合式透平结构中，所述轴流透平的叶轮可以采用整锻转子，也可以采用套装轮盘结构。

本实用新型的带有空心喷嘴叶片的组合式透平结构，其第一级叶轮采用向心透平，可以迅速降低工质的温度和压力，且容易实现喷嘴全周进气，气动效率高，叶轮所受交变载荷小；其空心喷嘴叶片使机组能承受较高的进气温度，具备良好的运行可靠性，可替换现有的部分进气、轴流式调节级结构。

优选地，所述组合式透平结构还包括设置在下游的斜流式透平和/或辐流式透平。

优选地，所述向心叶轮喷嘴环为整体结构或上下半组合结构，并采用悬挂销和底键进行定位、调中心、防转。

优选地，所述向心叶轮喷嘴环采用单个喷嘴叶片逐片装配结构，各所述喷嘴叶片直接安装在气缸体或隔板套的止口槽上。

优选地，所述向心透平热套或冷套在主轴上，或通过平键、拉杆/锁紧螺母、长螺杆/螺母、端面齿、和/或花键与主轴连接，或通过在整锻转子上铣制出向心透平。

优选地，所述向心透平为带有轮盖的闭式结构或无轮盖的开式叶轮，叶轮背部开设圆弧槽进行减重。

优选地，所述向心透平通过所述主轴上的台阶、卡环、卡套结构进行轴向限位，保证在运转过程中向心透平不会因其所受的轴向推力而沿主轴发生轴向相对位移。

优选地，所述组合式透平结构适用于蒸汽轮机、压缩空气储能膨胀机、超临界二氧化碳膨胀机、氦气轮机、燃气轮机、航空发动机、有机工质透平、空分膨胀机、钢铁或化工行业尾气透平、涡轮增压器透平等各类机组中。

优选地，所述气缸进气道中还设有控制气流的调节阀。

优选地，所述向心叶轮喷嘴环的前挡板、后挡板与所述气缸的装配处设有外圆密封。

优选地，所述气缸与主轴之间设有轴端密封。

优选地，所述向心透平为带有轮盖的闭式叶轮，其出口轮盖与所述气缸之间设有外圆密封。

优选地，所述向心叶轮喷嘴环中，各所述喷嘴叶片的空心部分形成的轴向气流通道的横截面积之和大于或等于所述折流通道的排气口面积。

同现有技术相比，本实用新型的有点与有益效果为：

1.本实用新型的带有空心喷嘴叶片的组合式透平结构中，第一级采用向心式结构，根据叶轮机械原理可知，向心式透平在小体积流量设计工况(或者比转速0.2～1.0)下的单级焓降、等熵效率一般比轴流式叶轮大，容易实现喷嘴全周进气结构或提升喷嘴的部分进气度，这样可以提高透平的能量转换效率，明显降低第一级叶轮所受的周期性激振力(相比部分进气结构)，并尽快降低了气流的压力和温度；此外，向心叶轮的固有频率一般较高，不容易出现共振现象，使机组具备良好的运行可靠性。

2.本实用新型的带有空心喷嘴叶片的组合式透平结构中，所述向心叶轮喷嘴环中的各喷嘴叶片采用空心结构，第一级向心透平出口气体可折转通过喷嘴叶片的空心部分进入下一级透平中进行做功，与现有的阀后气体先由径向转为轴向、再进入轴流喷嘴的结构相比，带有空心喷嘴叶片的组合式透平结构更加紧凑，第一级喷嘴的进气更加均匀。

3.本实用新型的带有空心喷嘴叶片的组合式透平结构中，第一级向心式透平焓降大，向心透平出口气流的温度明显降低，折转后再通过向心喷嘴叶片的空心部分时可以对该叶片进行冷却，使得透平机组可以承受更高的进气温度，降低对叶片材料耐高温的要求，提升叶片的使用寿命可以进一步提高机组的效率、可靠性，降低设计难度和成本。

附图说明

图1为本实用新型的带有空心喷嘴叶片的组合式透平结构示意图；

图2为向心式空心喷嘴叶片的轴向剖视图；

图3为向心叶轮喷嘴环的局部视图；

图中，

1-气缸进气道、2-气缸、3-碟阀、4-向心喷嘴环外圆密封、5-向心叶轮喷嘴环、6-向心透平、7-第一级轴流式喷嘴隔板、8-第一级轴流式叶轮、9-第二级轴流式喷嘴隔板、10-第二级轴流式叶轮、11-气缸排气道、12-主轴、13-轴端密封、14-向心叶轮出口轮盖密封、15-向心喷嘴环内圆轴封、16-轴流式喷嘴隔板气封、17-轴流式叶轮叶顶气封、18-向心叶轮固定件、19-向心叶轮喷嘴叶片。

具体实施方式

为使本实用新型实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。下面结合附图对本实用新型的结构、技术方案作进一步的具体描述，给出本实用新型的一个实施例。

如图1所示，本实用新型的带有空心喷嘴叶片的组合式透平结构，主要由气缸进气道1、气缸2、碟阀3、向心喷嘴环外圆密封4、向心叶轮喷嘴环5、向心透平6、第一级轴流式喷嘴隔板7、第一级轴流式叶轮8、第二级轴流式喷嘴隔板9、第二级轴流式叶轮10、气缸排气道11、主轴12、轴端密封13、向心叶轮出口轮盖密封14、向心喷嘴环内圆轴封15、轴流式喷嘴隔板气封16、轴流式叶轮叶顶气封17、向心叶轮固定件18(优选卡环/卡套)。具体而言，气缸2包括气缸进气道1和气缸排气道11，气缸进气道1中设有碟阀3。主轴12设置在气缸2的中心，向心透平6、第一、二级轴流透平均固定设置在主轴上，第一、二级轴流透平分别包括第一、二级轴流式叶轮8、10以及设置在第一、二级轴流式叶轮8、10上游的第一、二级轴流式喷嘴隔板7、9。气缸2上还固定设置一沿轴向布置的向心叶轮喷嘴环5，且向心叶轮喷嘴环5同心套设在向心透平6的径向外周，向心叶轮喷嘴环5包括一前挡板、一后挡板以及位于前挡板与后挡板之间并沿周向均匀分布的多个喷嘴叶片19(如图2所示)，相邻两喷嘴叶片19之间的空间形成为径向气流通道，每一径向气流通道的进气口正对气缸进气道1的环形出气口，每一径向气流通道的出气口正对向心透平6的进气口；每一喷嘴叶片19在轴向上均为两端开口的空心结构，且前挡板、后挡板上与每一空心结构正对的部分均开设有与开口形状相适配的通气口，每一空心结构与设置在其两端的通气口均形成一轴向气流通道；气缸2上还形成一折流通道，折流通道的进气口正对向心透平6的排气口，折流通道的出气口正对向心叶轮喷嘴环5的各轴向气流通道，且折流通道的进气反向与排气反向在轴向上相反。

本实用新型的带有空心喷嘴叶片的组合式透平结构在工作时，高压、高温气体通过气缸进气道的进气口、碟阀3后进入向心叶轮喷嘴环5，再依次进入向心透平6、第一、二级轴流式叶轮8、10中膨胀做功；向心透平6套装在主轴12上，通过平键将机械功传递给主轴12，第一、二级轴流式叶轮8、10中的轴流叶片直接安装在整锻转子的轴流叶轮盘上，即第一、二级轴流式叶轮8、10中的轴流式叶片安装在主轴12整锻转子的轴流叶轮盘上；向心叶轮喷嘴环5安装在气缸2上；气缸2与主轴12之间通过轴端密封13减少气体泄漏。第一、二级轴流式喷嘴隔板7、9前后通过轴流式喷嘴隔板气封16减少气体泄漏；向心叶轮4为带有轮盖的闭式叶轮，其出口轮盖外圆密封14用于减少向心叶轮6的叶顶泄漏；轴流式叶轮叶顶气封17用于减少第一、二级轴流式叶轮8、10的叶顶泄漏流动。

图2为向心叶轮喷嘴环5的轴向剖视图，其中各喷嘴叶片19均为空心结构，各喷嘴叶片19之间的径向气流通道用于气流加速、折转，推动向心透平6做功，各个喷嘴叶片的空心部分形成的轴向气流通道用于使向心透平6的出口气流通过，进入下一个膨胀级继续做功，各个喷嘴叶片19的空心部分面积之和大于或等于向心透平的出口面积即可，使得气流通过时没有明显的节流效应。

图3为向心叶轮喷嘴环的局部视图，其中向心喷嘴环外圆密封4主要由硬尖齿和J型气封齿交错组成，齿尖间隙尽量小，可有效地防止气体从进气调阀后直接泄漏到轴流式喷嘴隔板7前；向心叶轮喷嘴环5通过止口、悬挂销、底键安装在气缸2上并进行同心度的调整；向心叶轮喷嘴环5与向心透平6轮背对应位置设计有梳齿密封，以减少向心透平6轮背的泄漏流动。

向心透平6通过主轴12上的台阶、卡环、L型卡套结构进行轴向限位，保证在运转过程中向心叶轮不会因其所受的轴向推力而沿主轴12发生轴向相对位移。

高压气体在向心叶轮6中膨胀后，压力、温度降低，体积流量增大，使得第二级轴流式叶轮也适合全周进气且叶片高度较大，可以达到较高的气动效率，叶片所受的交变载荷小，对叶片使用寿命影响小。

通过上述实施例，完全有效地实现了本实用新型的目的。该领域的技术人员可以理解本实用新型包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本实用新型已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本实用新型并不限于所公开的实施例，任何不偏离本实用新型的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (9)

1.一种带有空心喷嘴叶片的组合式透平结构，包括气缸、主轴、设置在首级的向心透平和设置在所述向心透平下游的至少一级轴流透平，所述气缸包括气缸进气道，其特征在于，

所述气缸上还固定设置一沿轴向布置的向心叶轮喷嘴环，且所述向心叶轮喷嘴环同心套设在所述向心透平的径向外周，所述向心叶轮喷嘴环包括一前挡板、一后挡板以及位于所述前挡板与后挡板之间并沿周向均匀分布的多个喷嘴叶片，相邻两所述喷嘴叶片之间的空间形成为径向气流通道，每一所述径向气流通道的进气口正对所述气缸进气道的环形出气口，每一所述径向气流通道的出气口正对所述向心透平的进气口，

每一所述喷嘴叶片在轴向上均为两端开口的空心结构，且所述前挡板、后挡板上与每一所述空心结构正对的部分均开设有与所述开口形状相适配的通气口，每一所述空心结构与设置在其两端的所述通气口均形成一轴向气流通道，

所述气缸上还形成一折流通道，所述折流通道的进气口正对所述向心透平的排气口，所述折流通道的出气口正对所述向心叶轮喷嘴环的各轴向气流通道，且所述折流通道的进气反向与排气反向在轴向上相反。

2.根据权利要求1所述的组合式透平结构，其特征在于：所述组合式透平结构还包括设置在下游的斜流式透平和/或辐流式透平。

3.根据权利要求1所述的组合式透平结构，其特征在于：所述向心透平为带有轮盖的闭式结构或无轮盖的开式叶轮，叶轮背部开设圆弧槽。

4.根据权利要求1所述的组合式透平结构，其特征在于：所述向心透平通过所述主轴上的台阶、卡环、卡套结构进行轴向限位。

5.根据权利要求1所述的组合式透平结构，其特征在于：所述气缸进气道中还设有控制气流的调节阀。

6.根据权利要求1所述的组合式透平结构，其特征在于：所述向心叶轮喷嘴环的前挡板、后挡板与所述气缸的装配处设有外圆密封。

7.根据权利要求1所述的组合式透平结构，其特征在于：所述气缸与主轴之间设有轴端密封。

8.根据权利要求1所述的组合式透平结构，其特征在于：所述向心透平为带有轮盖的闭式叶轮，其出口轮盖与所述气缸之间设有外圆密封。

9.根据权利要求1所述的组合式透平结构，其特征在于：所述向心叶轮喷嘴环中，各所述喷嘴叶片的空心部分形成的轴向气流通道的横截面积之和大于或等于所述折流通道的排气口面积。

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