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CN102606216B - 轴流式涡轮机 - Google Patents

轴流式涡轮机 Download PDF

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CN102606216B
CN102606216B CN201210020582.0A CN201210020582A CN102606216B CN 102606216 B CN102606216 B CN 102606216B CN 201210020582 A CN201210020582 A CN 201210020582A CN 102606216 B CN102606216 B CN 102606216B
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axial flow
static airfoil
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General Electric Technology GmbH
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Abstract

一种轴流式涡轮机，沿着轴向流动顺序包括低压涡轮段(12)和涡轮机排放系统(14)。低压涡轮段(12)包括最后的低压涡轮级(28)，最后的低压涡轮级(28)包括沿圆周列状布置的静止翼型叶片(24)，静止翼型叶片(24)由沿圆周列状布置的旋转翼型叶片(26)沿轴向连续跟随。每个翼型叶片具有径向内部毂区域以及径向外部尖端区域。最后的低压涡轮级(28)的每个静止翼型叶片(24)的等于喉部尺寸(t)与间距尺寸(p)之比的所述K值沿着静止翼型叶片(24)的位于毂区域(24a)和尖端区域(24b)之间的高度根据大致呈W形的分布变化。

Description

轴流式涡轮机
技术领域
本发明涉及一种轴流式涡轮机。本发明的实施例尤其涉及一种轴流式蒸汽涡轮机，作为该蒸汽涡轮机的最后的低压涡轮级内的翼型叶片的改进设计的结果，该轴流式蒸汽涡轮机具有提高的效率。
背景技术
用于发电的蒸汽涡轮机通常包括沿着轴向流动顺序布置的高压涡轮段、可选的中压涡轮段以及低压涡轮段，每个涡轮段具有一系列的涡轮级。随着蒸汽通过每个涡轮段中的涡轮级被膨胀，蒸汽的压力和温度降低，且在通过低压涡轮段的末级膨胀之后，蒸汽通过涡轮机排放系统被排放。
尤其在大的发电装置中，蒸汽涡轮机的效率非常重要，在大的发电装置中，效率的少许增加可导致用于产生电功率所需的燃料的量显著减少。这会导致极大地节省成本且显著降低CO2的排放，从而相应地减少SOx和NOx。因此，由于翼型叶片设计对涡轮机的效率具有重要影响，所以相当量的金钱和努力持续地花费在对翼型叶片设计的研究上。
最后的低压涡轮级和涡轮机排放系统两者均对蒸汽涡轮机的性能具有重要影响，因此，最后的低压涡轮级和涡轮机排放系统两者均对蒸汽涡轮机的总效率具有重要影响。在传统的蒸汽涡轮机的最后的低压涡轮级中采用的翼型叶片设计倾向于产生大量的剩余能量和不均匀停滞压力分布，大量的剩余能量以及不均匀停滞压力分布两者均不利于涡轮机排放系统和最后的低压涡轮级的总体性能。
因此，如果最后的低压涡轮级可将最少量的剩余能量传输到涡轮机排放系统，并且在涡轮机排放系统的入口处产生更接近理想压力分布的停滞压力分布，则这将是期望的，实际上该理想压力分布在最后的低压涡轮级中的翼型叶片的高度方向上不变并且朝着尖端区域稍微增加。
已经使用在毂区域和尖端区域之间具有增加的径向高度的翼型叶片，以试图减少最后的低压涡轮级的剩余能量并因此增加最后的低压涡轮级的效率。然而，这可导致这样的涡轮机排放系统，在该涡轮机排放系统中，排放系统的轴向长度(L)与最后的低压涡轮级的旋转翼型叶片的高度(H)之比(即，L/H)极大地减小。出于多种原因，特别是由于蒸汽涡轮机的紧凑性的任何降低可显著增加其占地区域并因此增加其安装成本，所以通常不期望增加涡轮机排放系统的轴向长度(L)。
定义
以下定义将在整个说明书中使用。
翼型叶片，无论是静止翼型叶片还是旋转翼型叶片，沿径向最内的末端将被称为翼型叶片的“毂区域”(通常也被认为是根部)，而翼型叶片，无论是静止翼型叶片还是旋转翼型叶片，沿径向最外的末端将被称为翼型叶片的“尖端区域”。
翼型叶片的“压力表面”是其凹入侧，翼型叶片的“吸入表面”是其凸出侧。
翼型叶片的叶片出口角(α)是相对于转子的周向的角度，该角度使工作流体离开圆周叶片列(circumferential blade row)且从以下关系式获得：-
α＝sin-1K
其中：-
K＝喉部尺寸(t)/间距尺寸(p)
喉部尺寸(t)被定义为从一个翼型叶片的后缘法线延伸到位于相同列的相邻的翼型叶片的吸入表面的最短线路，而间距尺寸(p)是在距翼型叶片的毂区域特定的径向距离处从一个翼型叶片的后缘到位于相同列的相邻的翼型叶片的后缘的圆周距离。
表达式AN2表示由位于低压涡轮段的出口处的最后的低压涡轮级的旋转翼型叶片扫过的环形面积(A)乘以旋转翼型叶片的旋转速度(N)的平方的结果。环形面积(A)被定义为由旋转翼型叶片的内径和外径描绘的圆的面积之差。
翼型叶片的“轴向宽度”(W)是翼型叶片的前缘和后缘之间的轴向距离(即，在翼型叶片的前缘和后缘之间沿着涡轮机的旋转轴测量的距离)。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种轴流式涡轮机，该轴流式涡轮机沿着轴向流动顺序包括低压涡轮段和涡轮机排放系统，低压涡轮段包括最后的低压涡轮级，最后的低压涡轮级包括沿圆周列状布置(circumferential row)的静止翼型叶片，所述静止翼型叶片由沿圆周列状布置的旋转翼型叶片轴向连续跟随，每个翼型叶片具有径向内部毂区域以及径向外部尖端区域，其中，每个静止翼型叶片的等于喉部尺寸(t)与间距尺寸(p)之比的K值沿着静止翼型叶片的在毂区域和尖端区域之间的高度根据大致呈W形的分布变化。
轴流式涡轮机可以是蒸汽涡轮机。
通过采用大致呈W形分布的K值，使由最后的低压涡轮级传输到涡轮机排放系统的剩余能量最小化。还在排放系统的出口处提供理想的压力分布，特别是，提供横过朝着尖端区域稍微增加的翼型叶片的高度的均匀的径向压力分布。
因此，在低的排放速度(例如，大约125m/s)的情况下实现最后的低压涡轮级的总效率(total-to-total efficiency)的显著提高，而基本不会降低在高的排放速度(例如，大约300m/s)的情况下的总效率。由于传统的蒸汽涡轮机的最后的低压涡轮级的总效率在排放速度低于大约170m/s时趋向于迅速降低，所以这非常有优势。实际上，在排放速度低于大约150m/s时，通常不会保证传统的蒸汽涡轮机的最后的低压涡轮级的足够性能。
每个静止翼型叶片的K值可沿着静止翼型叶片的高度在下面的表1中限定的值Kstat min和Kstat max之间变化，以提供大致呈W形分布的K值。
每个静止翼型叶片的最佳的K值Kstat opt可沿着静止翼型叶片的高度根据在下面的表2中限定的大致呈W形分布的K值变化。在沿着静止翼型叶片的给定的高度处的值Kstat min和Kstat max等于最佳的值Kstat opt±0.1。
每个静止翼型叶片可具有位于16度和25度之间的后缘倾角。通常，每个静止翼型叶片具有约为19度的后缘倾角。在特定的实施例中，后缘倾角可以是19.2度。
在一些实施例中，每个静止翼型叶片可包括可堆叠在沿着静止翼型叶片的后缘的直线上的多个径向相邻的翼型段。在其他实施例中，翼型段可堆叠在沿着静止翼型叶片的前缘的直线上或者可沿着通过静止翼型叶片的质心的直线堆叠。当然，其他堆叠布置方式完全位于本发明的范围内。
通常，每个静止翼型叶片沿着静止翼型叶片位于毂区域与尖端区域之间的高度具有可变的翼型截面。
每个旋转翼型叶片的K值可沿着旋转翼型叶片的高度在下面的表3中限定的值Krot min和Krot max之间变化，以提供期望的K值分布。每个旋转翼型叶片的最佳的K值Krot opt沿着旋转翼型叶片的高度根据在下面的表4中限定的K值分布变化。在沿着旋转翼型叶片的给定高度处的值Krot min和Krot  max等于最佳值Krot opt±0.1。
用于每个旋转翼型叶片的在表4中限定的最佳分布Krot opt对用于每个静止翼型叶片的在表2中限定的大致呈W形的最佳分布Kstat opt进行补充。这样的布置方式使横过翼型叶片的径向高度方向通过最后的低压涡轮级的流体流动最佳化。
通常，每个旋转翼型叶片沿着径向方向在毂区域处的最大轴向宽度和尖端区域处的最小轴向宽度之间逐渐变细。
附图说明
图1是通过轴流式涡轮机的流动路径的示图性轴向剖视图；
图2是示出K值随着轴流式涡轮机的最后的低压涡轮级的静止翼型叶片的高度而变化的曲线图；
图3是具有沿着静止翼型叶片的高度呈W形分布的K值的静止翼型叶片的一部分的示图性透视图，其中还指示了叶片上的静止压力的轮廓；
图4是示出K值随着轴流式涡轮机的最后的低压涡轮级的旋转翼型叶片的高度而变化的曲线图。
具体实施方式
现在，将仅通过示例的方式并参照附图来描述本发明的实施例。
在图1中示出了通过蒸汽涡轮机的流动路径的示图性轴向剖视图。工作流体，即蒸汽，通过环形流动路径的流动方向F大体平行于涡轮机转子轴A-A。示出的蒸汽涡轮机沿着轴向流动顺序包括高压(HP)涡轮段10、低压(LP)涡轮段12以及排放系统14。可在其他实施例中设置中压(IP)涡轮段。以传统的方式操作蒸汽涡轮机，在通过涡轮机排放段14将蒸汽最终排放到冷凝器之前，蒸汽通过HP涡轮段10和LP涡轮段12被膨胀。
HP涡轮段10包括沿圆周列状布置的静止翼型叶片16，该静止翼型叶片16由沿圆周列状布置的旋转翼型叶片18沿轴向连续跟随。沿圆周列状布置的静止翼型叶片16和旋转翼型叶片18一起形成HP涡轮级。虽然在实际中通常可设置多个HP涡轮级，但是为了清楚的目的，在HP涡轮段10中仅示出了单个HP涡轮级。
LP涡轮段12包括两个沿圆周列状布置的静止翼型叶片20和24，静止翼型叶片20和24中的每个分别由沿圆周列状布置的旋转翼型叶片22和26沿轴向连续跟随。轴向连续的沿圆周列状布置的静止翼型叶片和旋转翼型叶片20、22、24和26中的每个形成LP涡轮级。通过沿圆周列状布置的静止翼型叶片24和旋转翼型叶片26形成的LP涡轮级是最后的LP涡轮级28。沿着环形流动路径流动的蒸汽从最后的LP涡轮级28传输到涡轮机排放系统14。虽然为了清楚的目的，在LP涡轮段12中仅示出了两个LP涡轮级，但是通常可设置更多数量的LP涡轮级。
如上面所指出的，通过最后的LP涡轮级28传输到涡轮机排放系统14的蒸汽应该具有理想的流动特性，以使蒸汽涡轮机的操作效率最大化。在安装最后的LP涡轮级28的旋转翼型叶片26的轴向位置处，在具有直径约为2.03米(80英寸)的毂的蒸汽涡轮机中，由于直径比率大且参数AN2值大，所以已经难以利用传统的方法来实现理想的流动特性，其中，在该蒸汽涡轮机中，旋转翼型叶片26的高度约为1.27米(50英寸)且旋转速度为3000转/分。本发明的实施例通过设置沿着最后的LP涡轮级28的静止翼型叶片24的位于毂区域24a和叶尖区域24b之间的高度大致呈W形分布的K值，而能够优化流动特性。
在下面的表2中限定了且在图2中图解地示出了上述蒸汽涡轮机的最后的LP涡轮级28的静止翼型叶片24的优选的大致呈W形分布的K值(Kstat  opt)。虽然这种K值分布提供从最后的LP涡轮级28到涡轮机排放系统14的最佳的蒸汽流动特性，但是在沿着每个静止翼型叶片24的给定的径向高度处的Kstat opt值可变化±0.1，例如，给出了在下面的表1中限定且还在图2中图解地示出的呈W形分布的Kstat min和Kstat max。
图3示出了最后的LP涡轮级28的静止翼型叶片24中一个静止翼型叶片的一部分，在最后的LP涡轮级28中，K值根据在下面的表2中限定的大致呈W形分布的Kstat opt而变化，因此，在最后的LP涡轮级28中，前缘30具有大致呈W形的几何轮廓，参照图3可以看出的是，压力轮廓(由可变阴影示意性地示出)指出在径向方向沿着后缘32在静止翼型叶片24的压力表面34上的基本均匀的压力分布。由大致呈W形分布的K值设置的这种均匀的径向压力分布与最小化的剩余能量一起导致最后的LP涡轮级28的总的静止效率和总效率得到提高，因此，蒸汽涡轮机的总的效率得到提高。
静止翼型叶片24通过多个沿径向堆叠的翼型段而形成，所述多个沿径向堆叠的翼型段沿着静止翼型叶片24的位于毂区域24a与尖端区域24b之间的高度具有可变截面。在参照图2描述且在图3中示出的实施例中，将认识到的是，翼型段被堆叠在沿着静止翼型叶片24的后缘32的直线上。虽然后缘倾角在实际中可在大约16度和25度之间变化，但是静止翼型叶片24还具有约为19.2度的后缘倾角。
为了对沿着最后的LP涡轮级28的静止翼型叶片24的高度大致呈W形分布的K值进行补充，还使最后的LP涡轮级28的旋转翼型叶片26的K值优化，以确保从旋转翼型叶片26传输到排放系统14的蒸汽具有理想的流动特性。K值(Krot opt)的优选分布在下面的表4中限定且在图4中图解地示出。虽然这种优选的分布在从最后的LP涡轮级28到涡轮机排放系统14的出口处提供最佳的蒸汽流动特性，但是在沿着每个旋转翼型叶片26的给定的径向高度处的值Krot opt可变化±0.1，例如，给出了在下面的表3中限定且还在图4中图解地示出的分布Krot min和Krot max。
虽然已经在前面的段落中描述了本发明的实施例，但是应该理解的是，在不脱离权利要求的范围的情况下，可对这些实施例进行各种修改。
表1
  静止翼型叶片的相对高度   最小K值(Kstat min) 最大K值(Kstat max
  0   0.423985906   0.623985906
  0.080855998   0.36638664   0.56638664
  0.165294716   0.303545296   0.503545296
  0.255880075   0.250207381   0.450207381
  0.34182611   0.292337117   0.492337117
  0.4154889   0.327357863   0.527357863
  0.480483625   0.358649554   0.558649554
  0.541802843   0.343071191   0.543071191
  0.604115243   0.311514359   0.511514359
  0.669284849   0.276224263   0.476224263
  0.738563225   0.24037955   0.44037955
  0.808859552   0.245298199   0.445298199
  0.875782568   0.256737999   0.456737999
  0.939306658   0.268124553   0.468124553
  1   0.27945616   0.47945616
表2
  静止翼型叶片的相对高度   优化的K值(Kstat opt)
  0   0.523985906
  0.080855998   0.46638664
  0.165294716   0.403545296
  0.255880075   0.350207381
  0.34182611   0.392337117
  0.4154889   0.427357863
  0.480483625   0.458649554
  0.541802843   0.443071191
  0.604115243   0.411514359
  0.669284849   0.376224263
  0.738563225   0.34037955
  0.808859552   0.345298199
  0.875782568   0.356737999
  0.939306658   0.368124553
  1   0.37945616
表3
  旋转翼型叶片的相对高度 最小K值(Krot min) 最大K值(Krot max)
  0   0.533380873   0.733380873
  0.09567811   0.532029303   0.732029303
  0.184560236   0.52114778   0.72114778
  0.26857315   0.500420225   0.700420225
  0.34765811   0.456295616   0.656295616
  0.422040472   0.412042865   0.612042865
  0.49296063   0.364842046   0.564842046
  0.561839055   0.327357863   0.527357863
  0.62991252   0.292337117   0.492337117
  0.697450866   0.259996808   0.459996808
  0.763918976   0.232161132   0.432161132
  0.826696063   0.225568154   0.425568154
  0.884643622   0.212334919   0.412334919
  0.94136252   0.172280247   0.372280247
  1   0.130049737   0.330049737
表4
  旋转翼型叶片的相对高度  优化的K值(Krot opt)
  0   0.633380873
  0.09567811   0.632029303
  0.184560236   0.62114778
  0.26857315   0.600420225
  0.34765811   0.556295616
  0.422040472   0.512042865
  0.49296063   0.464842046
  0.561839055   0.427357863
  0.62991252   0.392337117
  0.697450866   0.359996808
  0.763918976   0.332161132
  0.826696063   0.325568154
  0.884643622   0.312334919
  0.94136252   0.272280247
  1   0.230049737

Claims (9)

1.一种轴流式涡轮机，所述轴流式涡轮机沿着轴向流动顺序包括低压涡轮段(12)和涡轮机排放系统(14)，低压涡轮段(12)包括最后的低压涡轮级(28)，最后的低压涡轮级(28)包括沿圆周列状布置的静止翼型叶片(24)，所述静止翼型叶片(24)由沿圆周列状布置的旋转翼型叶片(26)沿轴向连续跟随，每个翼型叶片具有径向内部毂区域(24a)以及径向外部尖端区域(24b)，其中，每个静止翼型叶片(24)的等于喉部尺寸(t)与间距尺寸(p)之比的K值沿着静止翼型叶片(24)的在毂区域(24a)与尖端区域(24b)之间的高度根据大致呈W形的分布变化；
每个静止翼型叶片(24)的K值沿着静止翼型叶片(24)的高度在根据表1中限定的大致呈W形的分布的值Kstat min与Kstat max之间变化：
表1
静止翼型叶片的相对高度 最小K值(Kstat min) 最大K值(Kstat max) 0 0.423985906 0.623985906 0.080855998 0.36638664 0.56638664 0.165294716 0.303545296 0.503545296 0.255880075 0.250207381 0.450207381 0.34182611 0.292337117 0.492337117 0.4154889 0.327357863 0.527357863 0.480483625 0.358649554 0.558649554 0.541802843 0.343071191 0.543071191 0.604115243 0.311514359 0.511514359 0.669284849 0.276224263 0.476224263 0.738563225 0.24037955 0.44037955 0.808859552 0.245298199 0.445298199 0.875782568 0.256737999 0.456737999 0.939306658 0.268124553 0.468124553 1 0.27945616 0.47945616
。
2.根据权利要求1所述的轴流式涡轮机，其特征在于，每个静止翼型叶片(24)的最佳的K值Kstat opt沿着静止翼型叶片(24)的高度根据表2中限定的大致呈W形的分布变化：
表2
静止翼型叶片的相对高度 优化的K值(Kstat opt) 0 0.523985906 0.080855998 0.46638664 0.165294716 0.403545296 0.255880075 0.350207381 0.34182611 0.392337117 0.4154889 0.427357863 0.480483625 0.458649554 0.541802843 0.443071191 0.604115243 0.411514359 0.669284849 0.376224263 0.738563225 0.34037955 0.808859552 0.345298199 0.875782568 0.356737999 0.939306658 0.368124553 1 0.37945616
。
3.根据权利要求1或2所述的轴流式涡轮机，其特征在于，每个静止翼型叶片(24)具有在16度和25度之间的后缘(32)倾角。
4.根据权利要求3所述的轴流式涡轮机，其特征在于，每个静止翼型叶片(24)具有约为19度的后缘(32)倾角。
5.根据权利要求1或2所述的轴流式涡轮机，其特征在于，每个静止翼型叶片(24)包括堆叠在沿着所述静止翼型叶片(24)的后缘(32)的直线上的多个径向相邻的翼型段。
6.根据权利要求1或2所述的轴流式涡轮机，其特征在于，每个旋转翼型叶片(26)的K值沿着旋转翼型叶片(26)的高度在根据表3中限定的分布的值Krot min和Krot max之间变化：
表3
旋转翼型叶片的相对高度 最小K值(Krot min) 最大K值(Krot max) 0 0.533380873 0.733380873 0.09567811 0.532029303 0.732029303 0.184560236 0.52114778 0.72114778 0.26857315 0.500420225 0.700420225 0.34765811 0.456295616 0.656295616 0.422040472 0.412042865 0.612042865 0.49296063 0.364842046 0.564842046 0.561839055 0.327357863 0.527357863 0.62991252 0.292337117 0.492337117 0.697450866 0.259996808 0.459996808 0.763918976 0.232161132 0.432161132 0.826696063 0.225568154 0.425568154 0.884643622 0.212334919 0.412334919 0.94136252 0.172280247 0.372280247 1 0.130049737 0.330049737
。
7.根据权利要求1或2所述的轴流式涡轮机，其特征在于，每个旋转翼型叶片(26)的最佳K值Krot opt沿着旋转翼型叶片(26)的高度根据表4中限定的分布变化：
表4
旋转翼型叶片的相对高度 优化的K值(Krot opt) 0 0.633380873 0.09567811 0.632029303 0.184560236 0.62114778 0.26857315 0.600420225 0.34765811 0.556295616 0.422040472 0.512042865 0.49296063 0.464842046 0.561839055 0.427357863 0.62991252 0.392337117 0.697450866 0.359996808 0.763918976 0.332161132 0.826696063 0.325568154 0.884643622 0.312334919 0.94136252 0.272280247 1 0.230049737
。
8.根据权利要求1或2所述的轴流式涡轮机，其特征在于，每个旋转翼型叶片(26)在毂区域处的最大轴向宽度与尖端区域处的最小轴向宽度之间沿径向方向逐渐变细。
9.根据权利要求1或2所述的轴流式涡轮机，其特征在于，轴流式涡轮机是蒸汽涡轮机。
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