CN103306754A - 用于涡轮的排气扩散器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于涡轮的排气扩散器，包括配置成从涡轮的末级动叶接收排气的入口和配置成引导排气的排气引导表面。引导表面的曲率包括相对于涡轮的轴线的第一角度和在约0.45-0.70之间的引导表面的轴向长度相对于末级动叶的有效长度的比率。一种将涡轮的排气扩散的方法，包括以涡轮的末级动叶的过顶部泄漏来加强沿着排气扩散器的弯曲的排气流引导表面的边界层。弯曲的排气流引导表面处于相对于涡轮的轴线的第一角度和在约0.45-0.70之间的引导表面的轴向长度相对于末级动叶的有效长度的比率。

Description

用于涡轮的排气扩散器
技术领域
本发明涉及用于涡轮的排气扩散器，并涉及利用伴随着涡轮的有罩的和无罩的末级动叶的过顶部泄漏流(over tip leakage flow)来降低流分离的方法。
背景技术
在来自轴流式涡轮的废蒸汽的排放中，例如在该废蒸汽向冷凝器的排放中，期望提供尽可能平稳的蒸汽流并使来自这样的流中的涡流、湍流以及不均匀性的积累的能量损失最小化。通常来自涡轮的排气被引导至排气罩中，并沿基本垂直于涡轮的轴线的方向从该处穿过罩中的排放开口而进入冷凝器中。期望实现从位于涡轮的排气处的轴向流平稳地过渡成排气罩中的径向流，并从此过渡成位于该罩的排放开口的平稳的流而进入冷凝器中。
在与这样的轴流式涡轮一起使用的有效的排气罩的构成中，期望避免用于该处的任何引导装置内的加速损失，并在排气罩的排放开口实现相对均匀的流分布，以为了涡轮中的最高效的能量的转化和最有效的对排气罩所连接的冷凝器的废蒸汽的供应。
还期望通过在末级动叶的出口平面实现相对均匀的周向和径向的压力分布，从而在从涡轮排气之前，在涡轮的末级动叶实现最佳效率。通常地，已尝试达到这些结果，同时使用具有尽可能短的轴向长度的罩，以限制涡轮列的轴向尺寸。
扩散器一般用于蒸汽涡轮。有效的扩散器能够改善涡轮的效率和输出。遗憾的是，存在于这样的涡轮中的复杂的流形态以及由空间限制引起的设计问题使得几乎不可能设计充分有效的扩散器。常见的​​结果是流分离，当通过增加流动面积来降低蒸汽速度时，该流分离完全或部分地破坏扩散器的能力而升高静压力。对于与轴向蒸汽涡轮一起使用的向下排气罩而言，从扩散器的排放至排气罩的排放的损失从顶部向底部变化。在顶部，大量的流必须转向180°以使其位于扩散器和内壳之上，随后向下转向。因此，位于顶部的压力高于位于侧部的压力，位于侧部的压力继而高于位于底部的压力。
发明内容
根据一个示范性实施例，用于涡轮的排气扩散器包括配置成从涡轮的末级动叶接收排气的入口和配置成引导排气的排气引导表面。引导表面的曲率包括相对于涡轮的轴线的第一角度和在约0.45至0.70之间的引导表面的轴向长度相对于末级动叶的有效长度的比率。
根据另一示范性实施例，将涡轮的排气扩散的方法包括以涡轮的末级动叶的过顶部泄漏来加强沿着排气扩散器的弯曲的排气流引导表面的边界层。弯曲的排气流引导表面处于相对于涡轮的轴线的第一角度和在约0.45至0.70之间的引导表面的轴向长度相对于末级动叶的有效长度的比率。
附图说明
图1示意性地描绘了涉及涡轮的末级动叶的第一排气流扩散器和第二排气流扩散器；
图2示意性地描绘了涉及末级动叶的图1的第二排气流扩散器的蒸汽引导长度；
图3示意性地描绘了图1的第二排气流扩散器的蒸汽引导表面的角度；
图4示意性地描绘了涉及倾斜罩的蒸汽引导表面的角度；以及
图5示意性地描绘了末级动叶和倾斜罩。
具体实施方式
参照图1，蒸汽涡轮低压段的第一排气流扩散器2包括入口18，该入口18接收经过涡轮的末级动叶14的蒸汽。排气流扩散器2还包括蒸汽引导表面4和扩散器端壁6，该蒸汽引导表面4引导从末级动叶14经过的蒸汽流。扩散器的轴向长度L(按照从末级动叶14的中心线16至扩散器端壁6而测量)相对于末级动叶14的有效长度AL的比率为大致2.0。末级动叶14的中心线16为经过动叶的根段的重心的径向线。
仍然参照图1，还显示了配置与扩散器2不同的第二扩散器8。扩散器8具有大致1.35的轴向长度L(按照从中心线16至扩散器端壁12而测量)相对于末级动叶14的有效长度AL的比率。如图1所示，第一扩散器2和第二扩散器8具有相同的扩散面积比率，其导致第二扩散器8具有更陡峭的蒸汽引导表面10的曲率。由于更高的曲率，因而维持第二扩散器8的扩散面积比率与第一扩散器相同可能导致流从蒸汽引导表面10分离。
扩散器8使用来自末级动叶14的过顶部泄漏来加强沿着扩散器8的蒸汽引导表面10的边界层，以降低或防止蒸汽从蒸汽引导表面10分离。降低或防止蒸汽从蒸汽引导表面10分离，改善了静压力恢复。
末级动叶14的顶部间隙可以被降低或最小化，以使位于涡轮的旋转叶片的流体(例如，蒸汽或热气体)的功增加或最大化。可以提供某些量的间隙以降低叶片和内壳之间的摩擦的可能性。末级动叶14可以具有在例如约125至200密耳之间变化的热径向顶部间隙和例如为环流率(annulus flow rate)的约0.5％至2％的泄漏流率。应当领悟到末级动叶14的顶部间隙可以另外在例如约50至160密耳之间。
参照图2，具有大致1.5的L/AL比率的扩散器8，具有大致0.45至0.70的蒸汽引导轴向长度SGL(按照从末级动叶14的中心线16至蒸汽引导表面10的端而测量)相对于末级动叶14的有效长度AL的比率，例如，大致0.55。参照图3，末级动叶14具有例如约0°的顶部角度A，且蒸汽引导表面10的曲率可以具有第一角度B，该第一角度B可以对应于从动叶顶部斜坡起的蒸汽引导部的整个先前的25%的经向长度(meridional length)的角度的变化范围，为例如0°至18°，例如约2°、11°或14°。处于50％的经向距离的蒸汽引导表面10的曲率的第二角度C可以为例如14°至32°的变化，例如约20°、22°或28°。处于75％的经向距离的蒸汽引导表面10的曲率的第三角度D可以为例如约16°至32°的变化，例如约24°、26°或28°。
参照图 4和5​​，涡轮可以包括倾斜罩20。末级动叶14具有例如约25°的顶部角度A且蒸汽引导表面10的曲率可以具有第一角度B，该第一角度B可以对应于从动叶顶部斜坡起的蒸汽引导部的整个先前的25%的经向长度的角度的变化范围，为例如0°至18°，例如约2°、11°或14°。处于50％的经向距离的蒸汽引导表面10的曲率的第二角度C可以为例如14°至32°的变化，例如约20°、22°或28°。处于75％的经向距离的蒸汽引导表面10的曲率的第三角度D可以为例如约16°至32°的变化，例如约24°、26°或28°。
虽然关于蒸汽涡轮已描述了实施例，但应当领悟到扩散器可以与燃气涡轮一起使用。
虽然已结合目前被认为最实用且优选的实施例来描述本发明，但应当理解本发明不限于所公开的实施例，相反地，旨在包含所附的权利要求的要旨和范围内所包括的各种修改和等同布置。
部件列表
2：第一排气流扩散器
4：蒸汽引导表面(第一排气流扩散器)
6：扩散器端壁(第一排气流扩散器)
8：第二排气流扩散器
10：蒸汽引导表面(第二排气流扩散器)
12：扩散器端壁(第二排气流扩散器)
14：末级动叶
16：末级动叶中心线
18：扩散器入口
AL：有效长度
L：扩散器长度
SGL：蒸汽引导长度

Claims (20)

1. 一种用于涡轮的排气扩散器，包括：
入口，配置成从所述涡轮的末级动叶接收排气；以及
排气引导表面，配置成引导所述排气，其中，所述引导表面的曲率包括相对于所述涡轮的轴线的第一角度和在约0.45至0.70之间的引导表面的轴向长度相对于所述末级动叶的有效长度的比率。
2. 根据权利要求1所述的排气扩散器，其中，所述引导表面的轴向长度相对于所述有效长度的比率为约0.55。
3. 根据权利要求1所述的排气扩散器，其中，所述排气扩散器的轴向长度相对于所述有效长度的比率在约1.35和2.0之间。
4. 根据权利要求1所述的排气扩散器，其中，所述引导表面的曲率包括第二角度和第三角度，且所述第一角度、所述第二角度以及所述第三角度分别对应于处于25%、50%以及75%的经向距离的所述蒸汽引导部的整个先前的25%的经向长度的角度的变化范围。
5. 根据权利要求4所述的排气扩散器，其中，所述第一角度的变化在0°至18°的范围内，所述第二角度的变化在14°至32°的范围内，所述第三角度的变化在16°至32°的范围内。
6. 根据权利要求4所述的排气扩散器，其中，所述第二角度大于所述第一角度，且所述第三角度大于所述第二角度。
7. 根据权利要求4所述的排气扩散器，其中，所述第二角度和所述第三角度大致相等。
8. 根据权利要求4所述的排气扩散器，其中，所述第一角度对应于从所述涡轮的所述末级动叶的罩顶部起的25%的经向距离处的角度的变化范围。
9. 一种涡轮，包括根据权利要求1所述的扩散器。
10. 根据权利要求9所述的涡轮，其中，所述末级动叶的顶部和内壳或罩之间的间隙在约50至200密耳之间。
11. 根据权利要求10所述的涡轮，其中，所述间隙在约125至160密耳之间。
12. 一种将涡轮的排气扩散的方法，所述方法包括：
以所述涡轮的末级动叶的过顶部泄漏来加强沿着排气扩散器的弯曲的排气流引导表面的边界层，其中，所述弯曲的排气流引导表面处于相对于所述涡轮的轴线的第一角度，且引导表面的轴向长度相对于所述末级动叶的所述有效长度的比率在约0.45至0.70之间。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中，引导表面的轴向长度相对于所述有效长度的比率为约0.55。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中，所述排气扩散器的轴向长度相对于所述有效长度的比率在约1.35和2.0之间。
15. 根据权利要求12所述的方法，其中，所述引导表面的曲率包括第二角度和第三角度，且所述第一角度、所述第二角度以及所述第三角度分别对应于处于25%、50%以及75%的经向距离的所述蒸汽引导部的整个先前的25%的经向长度的角度的变化范围。
16. 根据权利要求15所述的方法，其中，所述第一角度的变化在0°至18°的范围内，所述第二角度的变化在14°至32°的范围内，所述第三角度的变化在16°至32°的范围内。
17. 根据权利要求15所述的方法，其中，所述第二角度大于所述第一角度，且所述第三角度大于所述第二角度。
18. 根据权利要求15所述的方法，其中，所述第二角度和所述第三角度大致相等。
19. 根据权利要求15所述的方法，其中，所述第一角度对应于从所述涡轮的所述末级动叶的罩顶部起的25%的经向距离处的角度的变化范围。
20. 根据权利要求12所述的方法，其中，所述末级动叶的顶部和内壳或罩之间的间隙在约50至200密耳之间。
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