專利名稱：帶有鼓形轉子的沖動式透平及其改進的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種沖動式蒸汽透平，它包括一個轉子和一個定子，并具有許多級，每級由靜葉柵構成，靜葉柵后面是隨轉子轉動的動葉柵，所述靜葉柵每級壓降維持大于85%。
在普通的沖動式透平中，它們的動葉柵裝在固定于轉子的圓盤上。
由于轉子動態性能的原因，(參見
圖1)，必須要求轉子具有足夠的剛度，這就要求轉子的輪轂直徑DR足夠大。相反，出于效率的原因，需要這一直徑盡可能小，減少該直徑是為了減少在靜與動部件之間的泄漏截面，由此減少其本身的泄漏。這兩條準則使得確定的轉子直徑DR應兼顧這兩方面的要求。
在圓盤沒有釋放它的機械性能的條件下，為了能把動葉柵裝在轉子圓盤上，需要在葉片基部和轉子軸之間留有足夠的空間，在這種條件下，當直徑DR確定之后，葉片基部直徑DB有一個最下限。
另外，為了提高效率(參見圖2)增加長徑比Z(即葉片頂部直徑Ds與葉片基圓直徑DB之比)是有利的。Z值(對于給定的葉片寬度)愈大，由二次流(e)引起的損失愈低。然而一旦機器的運行條件確定之后，蒸汽流動截面就確定了，這一截面與DB2(Z2-1)成正比。因此很明顯，為了提高效率，DB應當盡可能地減少，直至它的最低限。
另外，為了提高效率，需要盡可能地減少動部件和靜部件(f，f′)之間的所有泄漏。
特別是，通過靜葉柵下面的蒸汽泄漏(f′)會使效率大大降低。這些蒸汽不僅耗功，而且由于靜葉柵圓盤下游的蒸汽的存在，使蒸汽徑向擴散到主汽流中使效率降低。
有時，有比較低的壓力(P)最終作用在轉子和動葉柵上，使一平衡活塞的直徑比機器頭部所給的直徑DR稍大，因此，也引起效率少量下降。
同樣，這種情況也存在于“反動式”蒸汽透平中，在這種透平中，橫穿一級的壓降，實際上在靜葉柵和該級的動葉柵之間分成相等的兩部分。
如果動葉片直接裝在轉子軸上，葉片基圓直徑DB就會接近于軸的直徑DR(鼓形轉子)。
由于橫穿動葉柵的壓降在該葉柵上的推力很高，這樣必然導致在機器頭部需要設置大直徑的平衡活塞來平衡此推力，而該活塞直徑就需盡可能與Ds(動葉片頂部直徑)一樣大。這樣便大幅度地減少了效率。
可以看出，由于平衡活塞的大直徑而產生了泄漏，所以，推力問題不利于反動式透平的效率提高。
在反動式透平中，利用減少基圓直徑DB來減少泄漏是不可能的。
這樣運轉會導致級數增加，從成本觀點和從組件縱向尺寸觀點考慮是不可接受的，尤其象高壓組件，更難于接受。
最后應當看到，在反動式機械中，也就是鼓形轉子機械中，經過靜葉片下面的泄漏，沒有象帶有圓盤的沖動式機械那樣所產生的干擾作用。
本發明能夠減少沖動式透平中的基圓直徑DB，而且不再用圓盤來固定動葉片，而是象一個反動式透平那樣將動葉片直接裝在轉子上。
本發明沖動式透平的特征在于，動葉片直接裝在轉子上，因此，使得基圓直徑DB和軸徑DR相差很小。
在本發明的透平中，在膨脹區，獲得了延長得很好的蒸汽流線，因此提高了它的氣動效率。
這對于所有流線型沖動式透平在機器頭部有利于獲得較低的質量/容積的比值，尤其對于高壓流線型亞臨界透平的低質量流量，以對對高壓流線型超臨界透平的任何質量的流量都是很有利的。
本發明的透平，當減小基圓直徑DB時，需要增加級的數量。
然而，應當看到級數增加并不伴隨有流線長度的增加。
這是因為對于動葉片保留同樣的寬度(在相等的應力水平上);
由于△P的減少和力的作用面積的減少，因此，隔板厚度減少了;
轉子圓盤省略了，而在所述圓盤上鉆孔以便裝配動葉片所需要的附加軸向長度也取消了;
圓盤和隔板之間所需的間隙也取消了。
另外，由于流線基圓直徑的減小使得所有組件的橫向尺寸明顯地減少了。
這種減少，在高壓組件中優點很多，使得在定子部件上容易得到需要的機械強度。
以下將通過附圖并參照最佳的但并非受其限制的實施例對本發明給以更詳細的描述。
圖1是帶有一鼓形葉輪轉子的普通沖動式透平的截面圖。
圖2表示了圖1透平的一級。
圖3是本發明帶有一個鼓形葉輪轉子的沖動式透平的截面圖。
圖4表示了圖3透平的一級。
圖5是本發明沖動式透平一級的截面圖，是本發明的第一個改進。
圖6是本發明沖動式透平一級的截面圖，表示了本發明的第二個改進。
圖7是具有和圖6相同的改進的普通沖動級的截面圖。
圖8是本發明沖動式透平一級的截面圖，是本發明的第三個改進。
圖9是沖動式透平一級的透視圖，圖中表示了在帶有圓盤的轉子上的靜葉柵的出口處(向量傾斜α角)動葉片頂端所產生的泄漏。
圖10是圖7所示鼓形轉子的級的透視圖，表示來自隔板軸向通孔基部處的泄漏到動葉片頂端部的泄漏。
圖11是本發明沖動式透平一級的截面圖，表示了本發明的第四個改進。
圖12是圖10的一個圓柱狀截面圖。
圖13表示了根據本發明所得到的效率增益圖。
圖1和圖2表示了普通的沖動式透平，該沖動式透平包括一轉子1和一含有內定子3和外定子4的定子2，并且有許多級5。每一級5由固定于內定子3上的隔板構成，而內定子3的后面有動葉柵7。
動葉柵7包括裝在一個圓盤9上的若干單獨的動葉片8，該圓盤9固定在轉子1上。
隔板6包括有若干單獨的靜葉片20構成的靜葉柵10，這些靜葉片20面對動葉片8配置。葉片20支撐著一個裝有汽封裝置12的環11，由此形成轉子軸1的密封。
另外，在動葉片8的頂部裝有一汽封裝置13，形成轉子/定子之間的密封，也對定子提供了熱保護。
動葉片8的根部備有銷齒14，用銷15把銷齒14固定在圓盤9上。
轉子軸1直徑DR綜合考慮了需要其足夠大以滿足轉子剛性和需要其直徑盡可能小以減少泄漏兩者間的要求而確定。
為把葉片8裝在圓盤9上而無需圓盤來釋放它的機械性能，在轉子軸1和葉片8根部之間需留有足夠大的間隙。在這種條件下，一旦確定了DR，隨之DB(葉片的基圓直徑)的下限也就確定了。
在沖動式透平中，靜葉柵10在一級的基部維持壓降85%-95%，動葉柵7維持剩余部分。
圖3和圖4表示的是本發明的沖動式透平，圖中與圖1、圖2中相同的零件用相同的標號表示。
這種透平同樣也包括后面有動葉柵7的靜葉柵10，該靜葉柵10在一級的基部維持有85%-95%的壓降，同時剩余壓降由動葉柵7維持。
每個動葉片8直接裝在轉子1上(一個鼓形轉子)，而不裝在圓盤9上。結果，DB′(葉片8的基圓直徑)很接近DR′(轉子軸徑)，由于DB′小于DB，所以汽流通道高度H增加并提高了沖動式透平的效率。
盡管增加了靜葉柵10的高度，但受到壓力作用的隔板面積明顯地比普通透平少了(內環11′減少到只是一個圈，外環直徑也明顯減少了)。
另外，由于該設備有許多級，所以橫跨過整個隔板的壓降△P被減少了。
因此相對于普通隔板來說，減少隔板的厚度是可能的。
這樣，就不再需要在圓盤之間提供任何輔加的軸向長度，如不再象普通透平那樣為了對圓盤鉆孔而要留有空間。同樣地，也不再需要在隔板和圓盤之間提供任何如過去人們所保留的隔板傾斜所需的空間那樣的間隙，這樣，間隙J1可以變小。
比較圖1和圖3可以看出，軸徑DR′和轉子直徑DR基本上相等。
相比之下，DB′小于DB，本發明透平的級數是根據比值(DB)2/(DB′)2增加的。所以這種級數的增加并沒引起透平長度的增加。鑒于此，因而每一組件的總長度保持相同。
所確定的基圓直徑DB′小于DB，而內定子直徑DI′和外定子直徑DE′也小于一臺普通沖動式透平相應部位的直徑DI和DE。
本發明的透平比普通透平表現出的優點在主結構上。
利用本發明的透平，對于透平的超臨界高壓(HP)組件的效率可以增加5%，對于亞臨界高壓(HP)組件的效率增加3.5%。
圖5表示本發明的一個改進，動葉片8的根部16(即根部14′的凸出轉子1外面的部分)和隔板6的內環11′的外端部上有倒角，所以通過汽封裝置12的泄漏基本軸向地引入主汽流中。在這種情況下，在主汽流中，泄漏所引起的干擾很小。這樣就額外地增加了效率。
應當看到，倒角17沒有增加間隙，這間隙與圖4透平中的間隙J1相等。
在圖6表示的本發明另一個改進中，在每一個動葉片8的根部16上沿平行于轉子1軸線方向鉆一個孔18。
孔18的汽流截面足夠大，能夠使隔板6下面泄漏的全部流量與主汽流以較小的摩擦一起通過該孔。從而，消除了二次流的干擾和涉及該處的損失。
在葉片8的根部16上鉆孔18沒有什么困難。另外，能夠對每組動葉柵7選擇最佳孔徑。相比之下，在有圓盤的沖動式透平中(圖7)鉆圓盤的孔是困難的，在給出軸徑或銷齒深度的情況下再給圓盤鉆孔總是不可能的。此外，這些孔是用一單獨的鉆頭來鉆的，這就意味著鉆出的孔徑都相同，因此，不可能選擇最佳尺寸。
再有用上述方法設計的結構，孔18的尺寸妨礙了它們有一個最佳進口圓比R/φ(其中R＝在孔和圓盤表面之間的對流半徑，φ＝孔徑)，也不會有最佳比L/φ(L＝孔的長度)。
為了保證孔的流量系數基本上不受流體沖角的支配，需要使比值R/φ大于0.5，比值L/φ大于2。
所設計的這些孔18，改善了換汽流動狀況和在圓盤上的壓力分布。一個孔的上游端和下游端之間的壓差還不能準確地確定(即使上游和下游間的葉片側面的壓力差在葉片基部已經準確地測定出來)。這種不確定因素對通過孔的流量和作用在圓盤上推力都有影響。
在這種情況下，很難對平衡孔18的尺寸作出最佳的設計。也就是說，實際上所達到的效率增益比起理論上可達到的最大增益少得多。
然而，本發明的動葉柵具有以下優點進口圓比可取最佳值(R/φ約為1);
蒸汽在進口處的沖角是已知的，另外，對流過該孔的蒸汽流量的影響較小;
在該孔端部上游和下游間的壓差可圓滿地確定(由葉片基部的反作用程度來確定);
比值L/φ可取最佳值;
在這種條件下，確定這些平衡孔的尺寸是不困難的，它們的效率也接近理論最大值。
另外，端部推力的不穩定性也不會增加。
最后，所有研究過程表明，滿足孔18的尺寸，不會降低葉片8根部16的機械性能。
圖8到圖10表示了本發明的另一個改進，經過每一定子葉片鉆一個孔19，并使孔19延伸到孔19′，孔19′軸向延伸并通過圓環。從隔板6的汽封裝置12中第一室21所獲得的泄漏蒸汽，軸向引到動葉片8的汽封裝置13的進口，在一級中所運用的壓力級組為P1＞P2＞P3＞P4＞P5。
在這種情況下，隔板6基部的一部分泄漏引到了動葉片8的頂端部，從而使從動葉柵7里工作流體的主流量所減去的所有流量能夠減少，因而也可以說，增加了上述工作流體的流量，提高了效率。
此外，本系統還有一在一些機器中起決定作用的優點。由于利用單個轉子所獲得功率的增加，所以在達到滿負荷之前，該機器可能會出現不穩定性。這些不穩定性是由于作用在葉片周圍的并由靜與動部件之間的流體泄漏所引起的橫向力所產生的(見圖9)。
已經表明，在試驗機上和在實際機器上(離心壓縮機和透平)，當穿入汽封裝置的流體擁有大量的旋轉分量(F)時，這些作用力是不穩定的，當流體軸向穿入汽封裝置時，如圖中F′所表示的這些作用力便是穩定的。
由于這個改進，汽封裝置13進口處的蒸汽流不再出現在關于靜葉片的出口角α1處，而沿軸向產生。
因此，穿入動葉片的汽封裝置13中的絕大部分流體流沒有旋轉分量，這種改進的結果是，使先前的不穩定流變成了穩定流。
雖然，鼓形轉子的彎矩比圓盤轉子的彎矩大，但是這種鼓形轉子的改進也能使高壓(HP)組件的穩定系數得到有效地提高，尤其對超臨界機器來說可以使上述這種穩定系數大大提高。
圖11和圖12表示了本發明的另一個改進，在隔板6的汽封裝置12的若干最后室23中的一個和每組連續的靜葉片20的喉部24之間鉆一傾斜通道22。由于壓差的原因，通過靜葉柵的所有泄漏重新引入蒸汽通道25。
這樣，也能夠將在靜葉柵10和動葉柵7之間的間隙中的少量汽流24從動葉柵的上游吸入。
在這種情況下，隔板6基部處的泄漏不會干擾主汽流，并且改善了了穿過靜葉柵10的通道中的汽流性能(通過噴吹邊界層)。
本系統沿通道25利用的壓力級組如圖12所示P1＞P2＞P3＞P4。
圖5、圖6、圖8、圖10及圖11所示的改進可以單獨使用，也可以同時聯合使用，其最佳組合形式如下圖5和圖8的改進;
圖6和圖8的改進;或圖8和圖11的改進;
在高壓(HP)組件的亞臨界(180巴)和超臨界(＞200巴)的沖動式透平中，本發明使以下幾方面成為可能已研究了僅用一個鼓形轉子(參看圖13)，用量(A)的1%至4%(取決于機器的功率和所選擇的熱力循環)可提高高壓(HP)流線的氣動效率;
鼓形轉子簡化了裝置的安裝，能夠減少由于隔板8的直徑DR′處的蒸汽泄漏造成的氣動損失，并能夠減少從動葉柵按上述的方式(經過噴嘴葉片鉆孔;經過下環鉆孔;平衡孔;下環倒角)重新引入到上游的泄漏造成的氣動損失。在沖動式透平中，由重新引入泄漏所產生的氣動損失是非常高的，這是因為橫跨靜葉柵壓降很大的緣故。這種氣動損失可在組件損失的1%到2%的范圍內，本文所描述的設備能使這些損失通過量B減少約70%(圖12);
使安裝簡化的鼓形轉子(在隔板的葉片上鉆孔)能使因蒸汽力所引起的轉子不穩定性減少(參見圖9和圖10);
橫向尺寸和組件質量能夠減少;
易于保證靜部件抗壓;
達到上述目的同時保持了組件縱向尺寸;
最后，利用鼓形轉子保持了沖動式透平的原理，并具有以下優點對于給定長度的轉子，沖動式透平的基圓直徑比反動式機器的基圓直徑小(兩種機器都用鼓形轉子)。另外，在蒸汽通道中獲得了效益增益，如上所述，并且沖動式透平轉子上有很小的推力，這意味著，平衡活塞直徑比反動式透平小得多。這一點對于確定的很高壓力的機器來說，可以將效益增益提高20%。
權利要求
1.一種沖動式蒸汽透平，包括一個轉子(1)和一個定子(2)，該定子具有許多級(5)，每一級由一個帶有靜葉柵(10)的隔板構成，靜葉柵(10)后面有動葉柵(7)，動葉柵(7)包括一組隨著轉子旋轉的葉片(8)，所述靜葉柵(10)在每一級(5)的基部處維持大于85%的壓力降，該透平的特征在于所述的動葉片(8)直接裝在轉子(1)上。
2.按照權利要求1所述蒸汽透平，包括在隔板(6)基部的泄漏，其特征在于所述的泄漏實際上軸向地引到主汽流中。
3.按照權利要求1所述的蒸汽透平，其特征在于，裝在轉子(1)上的每一個葉片(8)的根部(16)鉆有一孔(18)，該孔(18)沿著基本上平行于轉子軸線的方向延伸，并保持根部(16)兩側互相聯通，孔的進口位于隔板(6)基部附近。
4.按照權利要求1至3中的任何一個所述的蒸汽透平，其中，隔板(6)的基部包括一個汽封裝置(12)和一組動葉片(8)的頂端，所述的汽封裝置(12)包括一組連續的室，所述的動葉片(8)的頂部包括一汽封裝置(13)，該蒸汽透平的特征在于，若干個靜葉片(20)和隔板(6)配有若干個孔(19、19′)，該孔(19、19′)吸收來自隔板(6)基部的汽封裝置(12)的第一室(21)的泄漏蒸汽并將所述蒸汽軸向引入動葉片(8)的汽封裝置(13)的進口。
5.按照權利要求1所述的蒸汽透平，其中靜葉片(20)的根部裝在隔板(6)的環(11′)上，環(11′)包括一由一組連續室所構成的汽封裝置(12)，其特征在于，所述的環(11′)包括若干個將主汽流與若干最后室(23)之一連通的傾斜通道(22)，由此，隔板(6)的基部處的泄漏重新切向地引入靜葉片柵(10)中的兩個相繼葉片(20)之間所形成的通道(25)中。
全文摘要
一種沖動式蒸汽透平，包括一個轉了1和一個具有許多級5的定子2，每一級5由一個帶有靜葉柵10的隔板構成，該靜葉柵10后面有動葉柵7，該動葉柵7包括一組隨轉子轉動的葉片8，所述的靜葉柵10在每一級5的基部維持大于85％的壓力降，該透平的特征在于，上述葉片8直接安裝在轉子1上，而不裝在圓盤上。這種透平的改進是減少了二次流的損失。效率可以提高幾個百分點。
文檔編號F01D11/00GK1070029SQ9210338
公開日1993年3月17日 申請日期1992年4月18日 優先權日1991年4月19日
發明者詹-皮爾·格羅斯, 吉勞姆·維爾沙維 申請人:Gec阿爾斯托姆有限公司