渦輪機的擴壓器的制作方法

專利名稱：渦輪機的擴壓器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種軸流式渦輪機的擴壓器，其中—擴壓器入口的彎折角無論在輪轂處還是在渦輪機汽缸處，均僅以在末端葉列出口處沿通道高度有均勻的總壓分布為目的確定；—在擴壓器減速區內設置形式上為導流片用以消除有旋流中渦旋的裝置，以及—至少有一塊分割擴壓器的導板。
這類渦輪機的擴壓器由EP-B 265633為已知。在那里為了在全負荷和部分負荷時滿足最大可能的壓力恢復和擴壓器無旋排汽的要求，在擴壓器內設整流葉柵，它沿流動通道的整個高度延伸。用于消除渦旋的裝置是沿圓周均勻排列具有厚直型面的柱狀導流片，它們按流體機械結構的理論進行設計，并應對傾斜的入流盡可能不敏感。導流片的入流前緣離末級動葉出口邊后方較遠處，以免導流片壓力場干擾末端葉列。這一距離的確定原則是，導流片前緣應處于擴壓器面積比最好為3的平面中。因此，在葉片與導流片之間的第一擴壓區，由于總體的旋轉對稱性而應保持不破壞。在導流片與葉片之間沒有干擾的原因是，導流片只是在一個速度水平已經比較低的平面內才起作用。
由于在傳統的高負荷渦輪機的葉片中，葉片的張開角遠大于一臺良好擴壓器的擴張角，所以，為了有助于流動，現有的擴壓器用導流環將擴壓器沿徑向分成多個部分擴壓器。導流環從一個緊挨著葉片出口的平面一直延伸到擴壓比達到3的平面，也就是說沿整個第一擴壓區延伸。為避免振動，導流環最好設計成整體式。這就成為一種無分開面而難以裝配的結構方案。此外，在大型機中，導流環直徑也大，所以會給運輸帶來困難。
第二擴壓區從較厚的導流片前緣延伸到導流片最大剖面厚度處。在此第二區中應消除流動中渦旋的絕大部分，并基本上不減速。在緊接著的第三個其形式為直擴壓器的擴壓區內，對在這一時刻已幾乎無旋的流動進行進一步減速。
采取所有這些措施，除應尤其在部分負荷時獲得最大的壓力恢復外，還應能縮短設備的結構長度。
在傳統的燃氣輪機中，空載時擴壓器入流的速度比Ct/Cn約為1.2，其中，Ct表示介質的切向速度，Cn表示介質的軸向速度。這種傾斜的入流使壓力恢復系數Cp下降。
在另一種機器類型中，例如蒸汽透平，容積流量減到40％，并因而比值Ct/Cn到3。在此類機器中，幾何尺寸固定的擴壓器是不適用的，因為壓力恢復甚至可能為負值。即使在導流片柵距與弦長之比為0.5時也會出現這種情況。當導流片的柵距/弦長之比約為1時，雖然在全負荷時(即Ct/Cn約為零)有較高壓力恢復，但這種導流片在這類機器中根本不能使用。
壓力恢復大幅度下降的原因是，在上述極限比值時，動葉出口與導流片之間產生強烈的渦旋。導流片限制了渦旋，在導流片上消耗掉速度的切向分量。若在所形成的回流中攜帶有固體粒子，例如在蒸汽透平中的小水珠，則會產生使末級動葉列葉根腐蝕的嚴重危險。
本發明以納維-斯托克斯三維優化計算方法為基礎，目的是對于本文開始所述類型的擴壓器，在預先給定擴壓器面積比的情況下，在無旋排汽的同時獲得物理上盡可能高的壓力恢復。擴壓器面積比是指擴壓器出口與入口流動橫截面之比。
按本發明為達到上述目的采取以下措施—擴壓器有一個軸向進口和一個徑向出口；—擴壓器用一塊沿徑向向外的彎曲導板分割為一個內通道和一個外通道。
—在擴壓器外通道中設徑向流導流片，在內通道中設斜流導流片。
雖然由EP-A 581978已知一些軸向/徑向式擴壓器，其中實施了彎折角的設計思想。然而，那里所涉及的是燃氣輪機的多區式擴壓器，如那兒的圖4所示。第一個單通道的擴壓區為鐘形。第二擴壓區用兩個導流環分成三個部分擴壓器，這一擴壓區通向第三擴壓區，后者只有很小量減速但強烈偏轉。借助于延續到此擴壓區中的導流環裝置，大大有助于此急劇的偏轉。這一措施還使第三擴壓區沿通道高度的平均曲率半徑得以有利地增大。
此外，在沿徑向排汽的蒸汽透平機軸流式低壓部分中，已知借助于徑向向外彎曲的導板協助擴壓流動。在

圖1所示的這種后面還要說明的機器中，由于結構上的原因，兩塊導板沿軸向成梯次排列，從而在不同的平面中起作用。這種方案的缺點是，協助氣流偏轉的作用僅僅是局部的，并需要許多固定支柱用來支承導板。這些支柱嚴重影響擴壓流動。還應提供這樣一個信息，即由于這一原因，當前在設計擴壓器時一般沒有任何增強裝置。否則會帶來巨大的流動損失。
本發明以一種在葉片出口的流動中存在嚴重分離的設備為出發點，在輪轂處設反渦旋裝置，在汽缸處設正旋裝置；沿徑向的外部區有高得多的流動能量，本發明的優點是，在軸向/徑向偏轉的雙通道擴壓器中，首次成功地應用了彎折角設計思想，其目的是沿葉高有盡可能小的總壓不均勻度。通過有目的地設置在沿子午面偏轉時協助擴壓流動的連續彎曲導板，以及設置在兩個部分通道中其形式為成型片的流動方向附加導流片，獲得了一種將有旋流的流動能量轉變為壓力能的低損失轉換裝置。導流片同時還作為導板的機械支承裝置，從而可以取消迄今采用的造成高損失的支柱。
若將具有內和外導流片和有關的內和外擴壓器環的導板設計為具有水平分開面的自支承式半殼，則導板的這種合乎目的的機械完整性將使擴壓器的裝配/拆卸簡化，并易于接近葉片。
為了基本上避免與葉片的末端動葉列發生干擾，有利的做法是，在內通道中導流片距葉片出口的距離a與導流片柵距t之比至少為0.5。此外，這一措施還導致充分利用流動介質的作功能力。
當導流片的弦長s與導流片柵距t之比至少為1時，可保證敏感的擴壓流動無分離地偏轉到無旋的排汽方向，并可按所要求的進行減速。
如果導流片的最大剖面厚度dmax與導流片弦長s之比最多為0.15并沿導流片高度基本上為常數，則超速、局部馬赫數問題和不同的擠壓作用均減到最小程度。
此外，導流片前緣沿導流片高度應定向為與流線正交。與dmax/s＝常數的措施一起，可保證流動不向外擠壓和不產生分離。
導流片斷面中線曲率最好根據無沖擊入流和沿軸向排汽來選定。以保證所要求的高的壓力恢復，以及對局部負荷不那么敏感。
在擴壓區有水平分開面時設偶數導流片，此時，導流片排列在垂直面內，而不在水平面中。
在徑向導流片兩端設底板是合乎目的的，導流片通過底板插入制在葉片支架和導板上的環槽中。特別有利的是，在兩側底板的孤形圓周面上制有環槽，導板環槽的尖角嵌入底板環槽中。因此，除了準確地導引導流片外，還可以通過導流片將拉力傳入導向葉片支架。在導流片萬一受到腐蝕性破壞時，可用最簡單的方法將它們更換掉。
附圖示意和簡化地表示了本發明的一種實施例。
其中圖1設有一個屬于先有技術的擴壓器的雙流低壓透平的部分軸向剖面；圖2按本發明的擴壓器局部縱剖面；圖3沿圖2中剖切線3-3通過擴壓器的局部橫剖面；圖4沿圖2中剖切線6-6和7-7通過導流片的局部橫剖面；圖5沿圖2中剖切線4-4和5-5通過導流片的局部橫剖面；圖6圖2中細部X的放大表示。
在圖1中表示的設有軸向/徑向式廢汽擴壓器的汽輪機中，只給那些為理解其工作方式有關的主要構件加了標號。主要的構件有外殼1，內罩2和轉子3。外殼由多個在圖上沒有詳細表示的部分組成，它們通常在設備安裝地點才互相用螺釘或焊接組裝在一起。內罩由圓環形進汽通道4和裝在它后面的導向葉片支架5組成，導向葉片6裝在此支架上。外殼、內罩和葉片支架均沿水平面分開，并在分開凸緣41(見圖3)處用螺釘互相連接在一起。在此分開凸緣的所在平面內，內罩通過支臂支承在外殼上。
裝有動葉片7的轉子3由軸盤和軸端通過整體式聯接法蘭焊接在一起構成。轉子借助于圖中未表示的滑動軸承支承在軸承座中。
蒸汽的流路是從供汽管道經外殼1中的蒸汽通道流入內罩2中。圓環狀進汽通道用來保證蒸汽能準確地被導引到葉片的兩個流道中去。在蒸汽將其能量釋放給轉子3后，在其向圖紙的下方流往冷凝器之前，經環形擴壓器11流到外殼1的排汽腔30。設在外殼中轉子通過處的軸向流動的軸密封裝置13，用來防止空氣進入蒸汽中。在這種已知的機器中，由擴壓器的形狀可以看出，在這里沒有實現彎折角(Knickwinkel)的設計思想。在擴壓器的入口處，葉片的擴張角顯著減小。僅僅為了局部有助于氣流偏轉，可以看到有兩塊沿軸向成梯次配置的導板，它們必須用上面曾提到過的帶來缺點的支柱固定在擴壓器內壁和外壁上。
在圖2和3中，凡與圖1中作用相同的構件均采用同一種符號。圖中只表示了末級帶有導向葉片6A的導葉列和帶有末端葉片7A的動葉列。
擴壓器外環25和擴壓器內環24構成了擴壓器的流動邊界。前者用螺釘固定在葉片支架5上(如圖所示)。后者由多件組成。最靠近葉片的是一個至少近似于沿軸向延伸的環形件24A。與之相接的是一個偏轉的環形件24B，它向一個更加強烈地偏轉的環形件24C過渡。構件24a和24B互相焊接。在構件24B和24C之間留有一個軸向間隙。軸密封裝置13的外殼固定在環形件24C上。在下游，環形件24C通過一個法蘭與基本上豎直的后部擋板31相連。擋板本身以密封蒸汽的方式與外殼1連接。
擴壓器用一塊偏轉的導板60分割成兩個部分通道，即一個內通道50和一個外通道51。由于制造方面的原因，此導板同樣設計成由三部分組成；第一部分60A，強烈偏轉的中間部分60B以及豎直部分60C。這三部分焊接成一個整體。
這兩個部分通道50、51的面積比，根據末級動葉片7A后的總壓分布或流動能量來確定。當例如必須轉換較大的動能時應選擇較大的面積比，這種情況可能發生在外通道中；相應地，當在內通道中應轉換較小的能量時，則選用較小的面積。在本實施例的情況下，外通道50和內通道51的面積相等，而且是從擴壓器進口直至擴壓器出口均保持這一情況。因此，部分導板60B和擴壓器內環24B、24C要有不同的迎角。導板部分60A定位成使氣流能無沖擊地入流。當然，也可以與圖中所表示的方案不同，擴壓器內環24和導板60還可設計成曲率連續變化的形式。
現在，緊挨著葉片出口的擴壓器兩個界壁24、25的彎折角對于所要求的擴壓器作用方式而言起決定性的作用。這里所涉及的葉片是一種具有大擴張角的高負荷反動式葉片。末級動葉列7A的氣流以高馬赫數流過。葉根處的通道輪廓是圓柱形的，葉尖處的通道輪廓是傾斜的，傾斜角最多至40°。如果將此斜度一直延續到擴壓器內，則上述40°角完全不適合于使流動減速和獲得所要求的壓力增加。流動將從壁面分離。單純從結構方面考慮，通常要將擴壓角從40°減至約7°。然而由此引起的在擴壓器入口彎折點的流線的偏轉以及與此相關的有害的壓力上升降低了壓差，亦即降低了蒸汽對葉片所作的功。其后果是減小了功率。未被利用的能量在擴壓器出口引起局部超速，并必然在廢汽殼體內損耗掉。
因此，擴壓器應單獨按流體力學的原理來進行設計。所需考慮的重要之點是，必須沿整個通道高度有盡可能均勻的總壓分布。因此，這兩個彎折角應根據在葉片和在擴壓器內的總體流動狀況來確定。
由徑向平衡方程可以得知，流線的子午面曲率首先決定了上述壓力增加的程度。因此必須首先通過采用適當的彎折角加以調整，以便能獲得均勻的總壓分布。按照這樣的條件，原則上確定了擴壓器入口處內部界壁24的彎折角αN(圖2＋6)。在本實施例的情況下，接上述條件得出的角αN為從水平面出發沿反方向減小，并接近10°。
由此可見，一種隨意的，例如圓柱形延續的擴壓器內界壁，在任何情況下均不適用于補償常有的排汽缺陷。然而，采用這種新措施，通過增加軸功降低了剩余能量。否則，這些功將作為殘留的能量在擴壓器之后損耗掉。
在圖6所示的例子中，在輪轂處的彎折角αN通過一個以適當方式制在轉子3上的凸緣80構成。此彎折角沿著首先入流的擴壓器內環24A的軸向長度延伸。在凸緣端部與擴壓器內環24A之間構成一個斜的環形通道81。為此，凸緣的下側與擴壓器內環24A的前緣制成相應的形狀。這一措施的優點是，葉根部分的排汽汽流抵制了有害的橫向流動效應。在屬于先有技術的機器中，通常由于轉子側壁32的泵作用、汽封蒸汽以及外殼1的非旋轉對稱促使形成這類橫向流動。
現在按同樣的理由來確定汽缸處的彎折角αZ，亦即在外界壁25處的彎折角。當然，在這里應當注意到，由于在葉尖與葉片支架2之間有間隙流動，使流動成為含高能量的。此外，氣流中含有許多渦旋。所以在這里要能做到能量的均勻分布，只有使汽缸處的折彎角αZ相對于傾斜的葉片通道在任何情況下均向外張開。在本實施例中附加10-15°。
結果表明，擴壓器總的擴張角要比葉片的擴張角大得多。在任何情況下都不再認為它只是一個單純從結構方面考慮的數值。從而創造了一種條件，使得在下游的擴壓器中進行的壓力轉換，在擴壓器出口處產生均勻和無旋的排汽流。
現在已經清楚，總共約60°擴張角的擴壓器不適用于使汽流減速。對于本文開始所提及的已知擴壓器，其通道因而沿徑向用幾個導流環分割成多個部分擴壓器，它們按照現有的用于直的擴壓器的規則來確定尺寸。
在本發明的情況下，設有已經介紹過的唯一的一塊導板60，它將氣流通道分為兩個部分擴壓器。圖2中表示了擴壓區的導流構件。這兩個部分擴壓器均設計成鐘形擴壓器(bell shaped diffusor)。這意味著，為了避免流動分離，在按上述準則確定的彎折角αZ和αN的下游，子午輪廓的等效擴張角θ被減小。擴張角的減小先以較大的程度，緊接著以較小的程度進行，這樣便導致形成一種與鐘形相當的結構形狀。等效擴張角θ的含義是tanθ/2=1U·dAdS]]>式中U＝流動橫截面的當地周長；dA＝流動橫截面積的局部改變；ds＝沿部分擴壓器流動路徑的局部改變。
按照本發明，在擴壓器外通道51中設徑向流導流片70，在內通道50中設斜流導流片71。
由圖2可見，內導流片71與擴壓器內環24B和導板前部60A連接，例如采用焊接。圖2還表示，徑向流導流片71是如何固定在外通道51中的。圖中表示了一種懸掛的方案，它既適合于承受拉力，也適合于承受壓力。在導流片的兩側制有相同的底板14，它們以倒梯形或燕尾形的方式插在擴壓器外環25和導板豎直部分60C相應的環槽內。為此，在內底板和外底板彎曲的圓周面上制有槽，環槽15的尺寸與之相應的尖角插在底板的槽中。
以此方式，由導板60A、B、C與內、外導流片71、70以及有關的內(24A、B)和外(25)擴壓器環組成的系統，構成了一種自支承組件。出自于裝配的原因，這一組件設計為具有水平分開面的半殼。這兩個半殼在分開面中通過內法蘭26(圖3)用螺釘相互連接。分開面26處于機器軸線的高度位置上。下半殼可以固定在軸密封裝置13的外殼上(圖中未示出)。
這種構造易于接近葉片。當例如要拆除末端葉片7A時，可按下述過程進行首先將排汽罩(外殼1的部分)與軸密封裝置13的上殼一起向上提升。然后，在拆除擴壓器內環的法蘭螺釘和擴壓器外環的螺釘連接后，自支承組件的上半殼便可作為一個整體向上提升。
顯然，這類擴壓器部件非常適用于改造現有的設備。為了在這種情況下準確設計必要的擴壓器幾何尺寸，其中包括彎折角、部分通道的面積比和導流片的幾何尺寸，建議先測出緊挨著末端動葉列7A出口處的流動狀況，然后按照反設計原理確定必要的擴壓器幾何尺寸。在重新設計設備時，擴壓器部件應以保證工作點或決定性的工作范圍為基礎進行設計。
在本實施例的情況下，徑向流的外導流片70的數量為50片。采用偶數有如圖3所示的優點，亦即在水平分開面中沒有導流片。采用片數較多的導流片70還有別的優點，因為這樣一來徑向的結構高度小，或對擴壓器和排汽的結構空間的影響較小。
在本實施例中內導流片71的數量為18片。如圖3所示，采用偶數也可使水平分開面中無內導流片。導流片70、71的數量以及流體力學設計基于以下的考慮首先是內導流片71的前緣與葉片出口之間的距離a與導流片柵距t之比，柵距t反映了葉片的數量。這一比值至少為0.5，從而基本上可以避免與葉片的末級動葉列7A的相互干擾。
在本實施例的情況下，在確定導流片的弦長時應考慮兩方面因素。一方面，導流片具有支承作用，所以它不能降低到小于一個最小橫截面。另一方面，導流片有使氣流偏轉的任務，在導流片的協助下應使有旋流被整直，此時同樣不能降低到小于一個最小弦長。若導流片弦長s與導流片柵距t之比至少等于1以及后面要說明的導流片最大剖面厚度dmax與導流片弦長s之比約為0.15時，則上述兩項任務均能完成。
導流片的結構配置按下列準則確定為了便于接近葉片，擴壓區設有水平分開面，也就是說，擴壓器內環、擴壓器外環以及導板均設計成分開式的。
在水平分開面中最好不設導流片，以免導流片被分開。另一方面，導流片最好排列在一個垂直面內。為達到上述目的最恰當的導流片數量為18。
導流片最大剖面厚度dmax與導流片弦長s之比應不超過0.15，并沿導流片高度基本保持常數。與本文開始所提到的擴壓器中的導流片相比，這種較薄的導流片避免產生局部馬赫數問題，并沿導流片高度使擠壓作用的差別減到最小的程度。
與本文開始所述擴壓器中的導流片相比，這里的導流片設計成彎曲的。導流片的斷面中線的曲率根據無沖擊地入流和沿軸向流出來選擇，因此，沿導流片高度在一般情況下曲率是變化的。
斜流的內導流片71基本上可為錐形。這是以一個適合于完成偏轉任務的弦長與柵距之比(s/t)的概念為基礎的。這一形狀構成了起始位置，然后沿導流片高度逐個剖面地與實際的流動狀況相適應。為此，導流片的前緣72沿導流片高度應定位為，使之與流線垂直相交。這樣得出的前緣必然既不與徑向也不與軸向對齊。
這一新措施還允許在末級動葉片7A的出口處出現一定的反渦旋，因為在擴壓器下游借助于導流片使氣流對準軸向流動。這種反渦旋帶來下列優點—在效率保持不變的情況下可以提高級的功，或—在級的功保持不變的情況下可以提高效率；—末級動葉列的葉片可設計成有較小的扭轉，因此可降低成本；—在末級渦輪導向葉片列中的偏轉可以減少，這一情況尤其在濕蒸汽透平中由于顆粒分離而有重要意義。
總之，可以看出，這種新型的擴壓器部件具有高的效率-勢能；其壓力恢復系數可達60％。彎折角的設計思想與導流片一起，可使渦旋能低損失地轉換成壓力能，而且兩列導流片的無旋排汽保證只有最小的剩余能量。此外，在排汽中，尤其在分開面中存在對稱的流動腔，可在盡可能低的速度水平下得到最充分的利用。由圖中所表示的結構型式可以看出，內通道50只需部分地用于真正的擴壓過程。擋板31區的下游部分增加了在分開面中的自由橫截面，并因而減少了有害的非軸對稱性。
符號表1 外殼2 內罩3 轉子4 進汽通道5 導向葉片支架6 導向葉片6A 末級導向葉片7 動葉片7A 出口葉片11 擴壓器13 軸密封裝置14 底板15 環槽24A，B，C 擴壓器內環25 擴壓器外環26 擴壓器內環的分開法蘭30 排氣腔31 擋板32 轉子側壁41 外殼分開凸緣50 擴壓器內通道51 擴壓器外通道52 機器軸線＝水平分開面
60，A，B，C 導板70 外導流片71 內導流片72 71的前緣80 轉子上的凸緣81 環形通道a 從7A到71的距離dmax 70、71的最大剖面厚度s 70、71的弦長t 70、71的柵距αZ25處的彎折角αN24A處的彎折角
權利要求
1.軸流式渦輪機的擴壓器，其中—擴壓器入口的彎折角(αN，αZ)，無論是在渦輪機的輪轂處還是在汽缸處，均僅僅以在末級動葉列(7A)出口處沿通道高度有均勻的總壓分布為目的來確定，—在擴壓器(50，51)的減速區內，設置了形狀為導流片(70，71)的用于消除旋流中的渦旋的裝置，以及至少有一塊分割擴壓器的導板(60)，其特征為—擴壓器(50，51)具有軸向入口和徑向出口，—擴壓器從入口至出口借助于一塊徑向向外的彎曲導板(60)被分割為一個內通道(50)和一個外通道(51)，—在擴壓器的外通道(51)中設徑向流導流片(70)，在內通道(50)中設斜流導流片(71)。
2.按照權利要求1所述的擴壓器，其特征為為了基本上避免與葉片的末端動葉列(7A)發生干擾，在內通道(50)中，導流片離葉片出口的距離(a)與導流片柵距(t)的比值至少等于0.5。
3.按照權利要求1所述的擴壓器，其特征為為了完成氣流偏轉任務，導流片弦長(s)與導流片柵距(t)之比至少為1，沿導流片高度，此比值根據偏轉的要求選擇。
4.按照權利要求1所述的擴壓器，其特征為導流片最大剖面厚度(dmax)與導流片弦長(s)之比最高為0.15，并沿導流片高度基本上為常數。
5.按照權利要求1所述的擴壓器，其特征為導流片的前緣(72)沿導流片高度定向為與流線垂直相交。
6.按照權利要求1所述的擴壓器，其特征為導流片斷面中線的曲率，根據沿整個導流片高度氣流無沖擊地流入和無旋地流出來選定。
7.按照權利要求1所述的擴壓器，其特征為在輪轂側的擴壓器入口處的轉子(3)與擴壓器內環(24A)之間設有一個傾斜于流動方向延伸的環形通道(81)，通過它可在主流路中引入阻隔裝置。
8.按照權利要求1所述的擴壓器，其特征為導板(60A、B、C)與內和外導流片(71、70)以及有關的內(24A、B)和外(25)擴壓器環一起被設計為帶水平分面的自支承半殼。
9.按照權利要求8所述的擴壓器，其特征為半殼在分開面中設有徑向向內的法蘭(26)。
10.按照權利要求1所述的擴壓器，其特征為設置偶數的導流片(70，71)，其中，導流片排列在垂直面內，而不設在水平面內。
11.按照權利要求10所述的擴壓器，其特征為在外通道(51)中設有50片導流片(70)，在內通道(50)中設有18片導流片(71)。
12.按照權利要求1所述的擴壓器，其特征為在徑向流導流片(70)的兩端設有底板(14)，導流片通過底板插入在擴壓器外環(25)和導板(60C)上的環槽(15)中。
全文摘要
在軸流式蒸汽渦輪機的軸向/徑向擴壓器中，擴壓器入口的彎折角(α
文檔編號F01D25/30GK1116271SQ9510764
公開日1996年2月7日 申請日期1995年6月26日 優先權日1994年6月29日
發明者F·克賴特邁耶 申請人:Abb管理有限公司