專(zhuān)利名稱：軸流式渦輪機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種軸流式渦輪機(jī)。本發(fā)明的實(shí)施例尤其涉及一種軸流式蒸汽渦輪機(jī)，作為該蒸汽渦輪機(jī)的最后的低壓渦輪級(jí)內(nèi)的翼型葉片的改進(jìn)設(shè)計(jì)的結(jié)果，該軸流式蒸汽潤(rùn)輪機(jī)具有提聞的效率。
背景技術(shù)：
用于發(fā)電的蒸汽渦輪機(jī)通常包括沿著軸向流動(dòng)順序布置的高壓渦輪段、可選的中壓渦輪段以及低壓渦輪段，每個(gè)渦輪段具有一系列的渦輪級(jí)。隨著蒸汽通過(guò)每個(gè)渦輪段中的渦輪級(jí)被膨脹，蒸汽的壓力和溫度降低，且在通過(guò)低壓渦輪段的末級(jí)膨脹之后，蒸汽通過(guò)渦輪機(jī)排放系統(tǒng)被排放。尤其在大的發(fā)電裝置中，蒸汽渦輪機(jī)的效率非常重要，在大的發(fā)電裝置中，效率的少許增加可導(dǎo)致用于產(chǎn)生電功率所需的燃料的量顯著減少。這會(huì)導(dǎo)致極大地節(jié)省成本且顯著降低CO2的排放，從而相應(yīng)地減少SOx和N0X。因此，由于翼型葉片設(shè)計(jì)對(duì)渦輪機(jī)的效率具有重要影響，所以相當(dāng)量的金錢(qián)和努力持續(xù)地花費(fèi)在對(duì)翼型葉片設(shè)計(jì)的研究上。最后的低壓渦輪級(jí)和渦輪機(jī)排放系統(tǒng)兩者均對(duì)蒸汽渦輪機(jī)的性能具有重要影響， 因此，最后的低壓渦輪級(jí)和渦輪機(jī)排放系統(tǒng)兩者均對(duì)蒸汽渦輪機(jī)的總效率具有重要影響。 在傳統(tǒng)的蒸汽渦輪機(jī)的最后的低壓渦輪級(jí)中采用的翼型葉片設(shè)計(jì)傾向于產(chǎn)生大量的剩余能量和不均勻停滯壓力分布，大量的剩余能量以及不均勻停滯壓力分布兩者均不利于渦輪機(jī)排放系統(tǒng)和最后的低壓渦輪級(jí)的總體性能。因此，如果最后的低壓渦輪級(jí)可將最少量的剩余能量傳輸?shù)綔u輪機(jī)排放系統(tǒng)，并且在渦輪機(jī)排放系統(tǒng)的入口處產(chǎn)生更接近理想壓力分布的停滯壓力分布，則這將是期望的，實(shí)際上該理想壓力分布在最后的低壓渦輪級(jí)中的翼型葉片的高度方向上不變并且朝著尖端區(qū)域稍微增加。已經(jīng)使用在轂區(qū)域和尖端區(qū)域之間具有增加的徑向高度的翼型葉片，以試圖減少最后的低壓渦輪級(jí)的剩余能量并因此增加最后的低壓渦輪級(jí)的效率。然而，這可導(dǎo)致這樣的渦輪機(jī)排放系統(tǒng)，在該渦輪機(jī)排放系統(tǒng)中，排放系統(tǒng)的軸向長(zhǎng)度(L)與最后的低壓渦輪級(jí)的旋轉(zhuǎn)翼型葉片的高度(H)之比(即，L/H)極大地減小。出于多種原因，特別是由于蒸汽渦輪機(jī)的緊湊性的任何降低可顯著增加其占地區(qū)域并因此增加其安裝成本，所以通常不期望增加渦輪機(jī)排放系統(tǒng)的軸向長(zhǎng)度(L)。定義以下定義將在整個(gè)說(shuō)明書(shū)中使用。翼型葉片，無(wú)論是靜止翼型葉片還是旋轉(zhuǎn)翼型葉片，沿徑向最內(nèi)的末端將被稱為翼型葉片的“轂區(qū)域”(通常也被認(rèn)為是根部)，而翼型葉片，無(wú)論是靜止翼型葉片還是旋轉(zhuǎn)翼型葉片，沿徑向最外的末端將被稱為翼型葉片的“尖端區(qū)域”。翼型葉片的“壓力表面”是其凹入側(cè)，翼型葉片的“吸入表面”是其凸出側(cè)。翼型葉片的葉片出口角(Ct)是相對(duì)于轉(zhuǎn)子的周向的角度，該角度使工作流體離開(kāi)圓周葉片列(circumferential blade row)且從以下關(guān)系式獲得_a = SirT1K其中-K =喉部尺寸(t)/間距尺寸(P)喉部尺寸(t)被定義為從一個(gè)翼型葉片的后緣法線延伸到位于相同列的相鄰的翼型葉片的吸入表面的最短線路，而間距尺寸(P)是在距翼型葉片的轂區(qū)域特定的徑向距離處從一個(gè)翼型葉片的后緣到位于相同列的相鄰的翼型葉片的后緣的圓周距離。表達(dá)式AN2表示由位于低壓渦輪段的出口處的最后的低壓渦輪級(jí)的旋轉(zhuǎn)翼型葉片掃過(guò)的環(huán)形面積(A)乘以旋轉(zhuǎn)翼型葉片的旋轉(zhuǎn)速度(N)的平方的結(jié)果。環(huán)形面積(A)被定義為由旋轉(zhuǎn)翼型葉片的內(nèi)徑和外徑描繪的圓的面積之差。翼型葉片的“軸向?qū)挾取?W)是翼型葉片的前緣和后緣之間的軸向距離(即，在翼型葉片的前緣和后緣之間沿著渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸測(cè)量的距離)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種軸流式渦輪機(jī)，該軸流式渦輪機(jī)沿著軸向流動(dòng)順序包括低壓渦輪段和渦輪機(jī)排放系統(tǒng)，低壓渦輪段包括最后的低壓渦輪級(jí)，最后的低壓潤(rùn)輪級(jí)包括沿圓周列狀布置(circumferential row)的靜止翼型葉片,所述靜止翼型葉片由沿圓周列狀布置的旋轉(zhuǎn)翼型葉片軸向連續(xù)跟隨，每個(gè)翼型葉片具有徑向內(nèi)部轂區(qū)域以及徑向外部尖端區(qū)域，其中，每個(gè)靜止翼型葉片的等于喉部尺寸⑴與間距尺寸(P)之比的K 值沿著靜止翼型葉片的在轂區(qū)域和尖端區(qū)域之間的高度根據(jù)大致呈W形的分布變化。軸流式渦輪機(jī)可以是蒸汽渦輪機(jī)。通過(guò)采用大致呈W形分布的K值，使由最后的低壓渦輪級(jí)傳輸?shù)綔u輪機(jī)排放系統(tǒng)的剩余能量最小化。還在排放系統(tǒng)的出口處提供理想的壓力分布，特別是，提供橫過(guò)朝著尖端區(qū)域稍微增加的翼型葉片的高度的均勻的徑向壓力分布。因此，在低的排放速度(例如，大約125m/s)的情況下實(shí)現(xiàn)最后的低壓渦輪級(jí)的總效率(total-to-total efficiency)的顯著提高,而基本不會(huì)降低在高的排放速度(例如， 大約300m/s)的情況下的總效率。由于傳統(tǒng)的蒸汽渦輪機(jī)的最后的低壓渦輪級(jí)的總效率在排放速度低于大約170m/s時(shí)趨向于迅速降低，所以這非常有優(yōu)勢(shì)。實(shí)際上，在排放速度低于大約150m/s時(shí)，通常不會(huì)保證傳統(tǒng)的蒸汽渦輪機(jī)的最后的低壓渦輪級(jí)的足夠性能。每個(gè)靜止翼型葉片的K值可沿著靜止翼型葉片的高度在下面的表I中限定的值 Kstat min和Kstat _之間變化，以提供大致呈W形分布的K值。每個(gè)靜止翼型葉片的最佳的K值Kstat opt可沿著靜止翼型葉片的高度根據(jù)在下面的表2中限定的大致呈W形分布的K值變化。在沿著靜止翼型葉片的給定的高度處的值
Kstat rnin和Kstat max等于最佳的值K
stat opt
+ 0. I0每個(gè)靜止翼型葉片可具有位于16度和25度之間的后緣傾角。通常，每個(gè)靜止翼型葉片具有約為19度的后緣傾角。在特定的實(shí)施例中，后緣傾角可以是19. 2度。在一些實(shí)施例中，每個(gè)靜止翼型葉片可包括可堆疊在沿著靜止翼型葉片的后緣的直線上的多個(gè)徑向相鄰的翼型段。在其他實(shí)施例中，翼型段可堆疊在沿著靜止翼型葉片的前緣的直線上或者可沿著通過(guò)靜止翼型葉片的質(zhì)心的直線堆疊。當(dāng)然，其他堆疊布置方式完全位于本發(fā)明的范圍內(nèi)。通常，每個(gè)靜止翼型葉片沿著靜止翼型葉片位于轂區(qū)域與尖端區(qū)域之間的高度具有可變的翼型截面。每個(gè)旋轉(zhuǎn)翼型葉片的K值可沿著旋轉(zhuǎn)翼型葉片的高度在下面的表3中限定的值 Krot min和Krot max之間變化，以提供期望的K值分布。每個(gè)旋轉(zhuǎn)翼型葉片的最佳的K值KMt opt 沿著旋轉(zhuǎn)翼型葉片的高度根據(jù)在下面的表4中限定的K值分布變化。在沿著旋轉(zhuǎn)翼型葉片的給定高度處的值K t min和K t max等于最佳值Krot _±0. I。用于每個(gè)旋轉(zhuǎn)翼型葉片的在表4中限定的最佳分布KMt _對(duì)用于每個(gè)靜止翼型葉片的在表2中限定的大致呈W形的最佳分布Kstat _進(jìn)行補(bǔ)充。這樣的布置方式使橫過(guò)翼型葉片的徑向高度方向通過(guò)最后的低壓渦輪級(jí)的流體流動(dòng)最佳化。通常，每個(gè)旋轉(zhuǎn)翼型葉片沿著徑向方向在轂區(qū)域處的最大軸向?qū)挾群图舛藚^(qū)域處的最小軸向?qū)挾戎g逐漸變細(xì)。


圖I是通過(guò)軸流式渦輪機(jī)的流動(dòng)路徑的示圖性軸向剖視圖；圖2是示出K值隨著軸流式渦輪機(jī)的最后的低壓渦輪級(jí)的靜止翼型葉片的高度而變化的曲線圖；圖3是具有沿著靜止翼型葉片的高度呈W形分布的K值的靜止翼型葉片的一部分的示圖性透視圖，其中還指示了葉片上的靜止壓力的輪廓；圖4是示出K值隨著軸流式渦輪機(jī)的最后的低壓渦輪級(jí)的旋轉(zhuǎn)翼型葉片的高度而變化的曲線圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在，將僅通過(guò)示例的方式并參照附圖來(lái)描述本發(fā)明的實(shí)施例。在圖I中示出了通過(guò)蒸汽渦輪機(jī)的流動(dòng)路徑的示圖性軸向剖視圖。工作流體，即蒸汽，通過(guò)環(huán)形流動(dòng)路徑的流動(dòng)方向F大體平行于渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸A-A。示出的蒸汽渦輪機(jī)沿著軸向流動(dòng)順序包括高壓(HP)渦輪段10、低壓(LP)渦輪段12以及排放系統(tǒng)14?？稍谄渌麑?shí)施例中設(shè)置中壓(IP)渦輪段。以傳統(tǒng)的方式操作蒸汽渦輪機(jī)，在通過(guò)渦輪機(jī)排放段 14將蒸汽最終排放到冷凝器之前，蒸汽通過(guò)HP渦輪段10和LP渦輪段12被膨脹。HP渦輪段10包括沿圓周列狀布置的靜止翼型葉片16，該靜止翼型葉片16由沿圓周列狀布置的旋轉(zhuǎn)翼型葉片18沿軸向連續(xù)跟隨。沿圓周列狀布置的靜止翼型葉片16和旋轉(zhuǎn)翼型葉片18 —起形成HP渦輪級(jí)。雖然在實(shí)際中通?？稍O(shè)置多個(gè)HP渦輪級(jí)，但是為了清楚的目的，在HP渦輪段10中僅示出了單個(gè)HP渦輪級(jí)。LP渦輪段12包括兩個(gè)沿圓周列狀布置的靜止翼型葉片20和24，靜止翼型葉片20 和24中的每個(gè)分別由沿圓周列狀布置的旋轉(zhuǎn)翼型葉片22和26沿軸向連續(xù)跟隨。軸向連續(xù)的沿圓周列狀布置的靜止翼型葉片和旋轉(zhuǎn)翼型葉片20、22、24和26中的每個(gè)形成LP渦輪級(jí)。通過(guò)沿圓周列狀布置的靜止翼型葉片24和旋轉(zhuǎn)翼型葉片26形成的LP渦輪級(jí)是最后的LP渦輪級(jí)28。沿著環(huán)形流動(dòng)路徑流動(dòng)的蒸汽從最后的LP渦輪級(jí)28傳輸?shù)綔u輪機(jī)排放系統(tǒng)14。雖然為了清楚的目的，在LP渦輪段12中僅示出了兩個(gè)LP渦輪級(jí)，但是通常可設(shè)置更多數(shù)量的LP渦輪級(jí)。如上面所指出的，通過(guò)最后的LP渦輪級(jí)28傳輸?shù)綔u輪機(jī)排放系統(tǒng)14的蒸汽應(yīng)該具有理想的流動(dòng)特性，以使蒸汽渦輪機(jī)的操作效率最大化。在安裝最后的LP渦輪級(jí)28的旋轉(zhuǎn)翼型葉片26的軸向位置處，在具有直徑約為2. 03米(80英寸)的轂的蒸汽渦輪機(jī)中， 由于直徑比率大且參數(shù)AN2值大，所以已經(jīng)難以利用傳統(tǒng)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)理想的流動(dòng)特性，其中，在該蒸汽渦輪機(jī)中，旋轉(zhuǎn)翼型葉片26的高度約為I. 27米(50英寸)且旋轉(zhuǎn)速度為3000 轉(zhuǎn)/分。本發(fā)明的實(shí)施例通過(guò)設(shè)置沿著最后的LP渦輪級(jí)28的靜止翼型葉片24的位于轂區(qū)域24a和葉尖區(qū)域24b之間的高度大致呈W形分布的K值，而能夠優(yōu)化流動(dòng)特性。在下面的表2中限定了且在圖2中圖解地示出了上述蒸汽渦輪機(jī)的最后的LP渦輪級(jí)28的靜止翼型葉片24的優(yōu)選的大致呈W形分布的K值(Kstat opt)。雖然這種K值分布提供從最后的LP渦輪級(jí)28到渦輪機(jī)排放系統(tǒng)14的最佳的蒸汽流動(dòng)特性，但是在沿著每個(gè)靜止翼型葉片24的給定的徑向高度處的Kstat opt值可變化±0. 1，例如，給出了在下面的表 I中限定且還在圖2中圖解地示出的呈W形分布的Kstat min和Kstat _。圖3示出了最后的LP渦輪級(jí)28的靜止翼型葉片24中一個(gè)靜止翼型葉片的一部分，在最后的LP渦輪級(jí)28中，K值根據(jù)在下面的表2中限定的大致呈W形分布的Kstat opt而變化，因此，在最后的LP渦輪級(jí)28中，前緣30具有大致呈W形的幾何輪廓，參照?qǐng)D3可以看出的是，壓力輪廓(由可變陰影示意性地示出)指出在徑向方向沿著后緣32在靜止翼型葉片24的壓力表面34上的基本均勻的壓力分布。由大致呈W形分布的K值設(shè)置的這種均勻的徑向壓力分布與最小化的剩余能量一起導(dǎo)致最后的LP渦輪級(jí)28的總的靜止效率和總效率得到提高，因此，蒸汽渦輪機(jī)的總的效率得到提高。靜止翼型葉片24通過(guò)多個(gè)沿徑向堆疊的翼型段而形成，所述多個(gè)沿徑向堆疊的翼型段沿著靜止翼型葉片24的位于轂區(qū)域24a與尖端區(qū)域24b之間的高度具有可變截面。 在參照?qǐng)D2描述且在圖3中示出的實(shí)施例中，將認(rèn)識(shí)到的是，翼型段被堆疊在沿著靜止翼型葉片24的后緣32的直線上。雖然后緣傾角在實(shí)際中可在大約16度和25度之間變化，但是靜止翼型葉片24還具有約為19. 2度的后緣傾角。為了對(duì)沿著最后的LP渦輪級(jí)28的靜止翼型葉片24的高度大致呈W形分布的K 值進(jìn)行補(bǔ)充，還使最后的LP渦輪級(jí)28的旋轉(zhuǎn)翼型葉片26的K值優(yōu)化，以確保從旋轉(zhuǎn)翼型葉片26傳輸?shù)脚欧畔到y(tǒng)14的蒸汽具有理想的流動(dòng)特性。K值(KMt opt)的優(yōu)選分布在下面的表4中限定且在圖4中圖解地示出。雖然這種優(yōu)選的分布在從最后的LP渦輪級(jí)28到渦輪機(jī)排放系統(tǒng)14的出口處提供最佳的蒸汽流動(dòng)特性，但是在沿著每個(gè)旋轉(zhuǎn)翼型葉片26的給定的徑向高度處的值KMt _可變化±0. 1，例如，給出了在下面的表3中限定且還在圖4 中圖解地示出的分布KMt min和KMt _。雖然已經(jīng)在前面的段落中描述了本發(fā)明的實(shí)施例，但是應(yīng)該理解的是，在不脫離權(quán)利要求的范圍的情況下，可對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行各種修改。表I
權(quán)利要求
1.一種軸流式渦輪機(jī)，所述軸流式渦輪機(jī)沿著軸向流動(dòng)順序包括低壓渦輪段(12)和渦輪機(jī)排放系統(tǒng)(14)，低壓渦輪段(12)包括最后的低壓渦輪級(jí)(28)，最后的低壓渦輪級(jí)(28)包括沿圓周列狀布置的靜止翼型葉片(24)，所述靜止翼型葉片(24)由沿圓周列狀布置的旋轉(zhuǎn)翼型葉片(26)沿圓周連續(xù)跟隨，每個(gè)翼型葉片具有徑向內(nèi)部轂區(qū)域(24a)以及徑向外部尖端區(qū)域(24b)，其中，每個(gè)靜止翼型葉片(24)的等于喉部尺寸⑴與間距尺寸(P) 之比的K值沿著靜止翼型葉片(24)的在轂區(qū)域(24a)與尖端區(qū)域(24b)之間的高度根據(jù)大致呈W形的分布變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的軸流式渦輪機(jī)，其特征在于，每個(gè)靜止翼型葉片(24)的K值沿著靜止翼型葉片(24)的高度在根據(jù)表I中限定的大致呈W形的分布的值Kstat _與Kstat _之間變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的軸流式渦輪機(jī)，其特征在于，每個(gè)靜止翼型葉片(24)的最佳的K值Kstat opt沿著靜止翼型葉片(24)的高度根據(jù)表2中限定的大致呈W形的分布變化。
4.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的軸流式渦輪機(jī)，其特征在于，每個(gè)靜止翼型葉片 (24)具有在16度和25度之間的后緣(32)傾角。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的軸流式渦輪機(jī)，其特征在于，每個(gè)靜止翼型葉片(24)具有約為19度的后緣(32)傾角。
6.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的軸流式渦輪機(jī)，其特征在于，每個(gè)靜止翼型葉片(24)包括堆疊在沿著所述靜止翼型葉片(24)的后緣(32)的直線上的多個(gè)徑向相鄰的翼型段。
7.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的軸流式渦輪機(jī)，其特征在于，每個(gè)旋轉(zhuǎn)翼型葉片(26)的K值沿著旋轉(zhuǎn)翼型葉片(26)的高度在根據(jù)表3中限定的分布的值KMt min和KMt max 之間變化。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至6中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的軸流式渦輪機(jī)，其特征在于，每個(gè)旋轉(zhuǎn)翼型葉片(26)的最佳K值Krot _沿著旋轉(zhuǎn)翼型葉片(26)的高度根據(jù)表4中限定的分布變化。
9.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的軸流式渦輪機(jī)，其特征在于，每個(gè)旋轉(zhuǎn)翼型葉片(26)在轂區(qū)域處的最大軸向?qū)挾扰c尖端區(qū)域處的最小軸向?qū)挾戎g沿徑向方向逐漸變細(xì)。
10.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的軸流式渦輪機(jī)，其特征在于，軸流式渦輪機(jī)是蒸汽渦輪機(jī)。
全文摘要
一種軸流式渦輪機(jī)，沿著軸向流動(dòng)順序包括低壓渦輪段(12)和渦輪機(jī)排放系統(tǒng)(14)。低壓渦輪段(12)包括最后的低壓渦輪級(jí)(28)，最后的低壓渦輪級(jí)(28)包括沿圓周列狀布置的靜止翼型葉片(24)，靜止翼型葉片(24)由沿圓周列狀布置的旋轉(zhuǎn)翼型葉片(26)沿軸向連續(xù)跟隨。每個(gè)翼型葉片具有徑向內(nèi)部轂區(qū)域以及徑向外部尖端區(qū)域。最后的低壓渦輪級(jí)(28)的每個(gè)靜止翼型葉片(24)的等于喉部尺寸(t)與間距尺寸(p)之比的所述K值沿著靜止翼型葉片(24)的位于轂區(qū)域(24a)和尖端區(qū)域(24b)之間的高度根據(jù)大致呈W形的分布變化。
文檔編號(hào)F01D1/04GK102606216SQ20121002058
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月21日
發(fā)明者B·R·哈勒爾, G·辛格 申請(qǐng)人:阿爾斯通技術(shù)有限公司