一种应用于汽轮机的半开式腔室结构捕水环

1.本实用新型属于工业设备技术领域，具体涉及一种应用于汽轮机的半开式腔室结构捕水环。


背景技术：

2.全球电力市场需求高涨，汽轮机这一广泛应用于能源产业的动力机械也得到了迅速发展。我国主力发电机组是超临界、超超临界的火电汽轮机和百万级的核电汽轮机。随着现代科学技术的进步，汽轮机的设计、材料和制作工艺方面都在不断发展。目前汽轮机有着高参数、大容量和高热经济性的发展趋势。为了实现上述目标，汽轮机组必然采用越来越长的叶片。在汽轮机运行过程中不可避免地出现液滴与旋转动叶片的碰撞，而叶片的加长使得液固撞击时的相对速度变大，叶片受到的损伤也愈发严重，这也使得汽轮机的水蚀问题成为近年来有价值的研究热点问题。
3.在汽轮机中，水蚀发生与级的几何参数、气动参数以及热力学参数息息相关，所以水蚀问题也就变得十分复杂。现有的材料水蚀损伤理论及模型还不够完整成熟，目前存在理论认为在高速液固撞击时会产生速度远高于撞击速度的侧向射流，射流的剪切应力造成材料破坏并失效。但就水蚀损伤机理研究而言，现有的理论仅仅考虑理想的液固撞击情况，与实际汽轮机运行时的水蚀情形存在较大的差异。
4.由于叶片水蚀仍然是影响汽轮机组运行热经济性和安全可靠性的重要问题之一，不少学者对水蚀防护工艺进行了研究。目前常用的汽轮机低压级叶片防水蚀方法可分为主动式和被动式。其中实际应用更多的是被动式水蚀防护方法，各大汽轮机制造厂为防止钢制末级叶片水蚀，在叶片上易发生损伤的表面局部镶嵌高硬度、高抗侵蚀性的合金。此种方法对表层加工工艺要求非常高，表层材料在处理不当时会从基材上脱落，无法达到防水蚀效果。并且还会造成叶片表面型线不连续，产生较大的气动损失。主动式防水蚀方法则是利用特殊的结构或装置减少蒸汽中含有的水分，抑制水滴的产生从而防止水蚀。在部分级加工沟槽结构进行汽水分离或者采用专门的外部汽水分离再热器都能达到去湿效果。
5.虽然近些年来材料水蚀方面的研究有所进展，但叶片的防水蚀技术和新型叶片设计研发仍然不充分，对于水蚀问题的研究极具实际工程应用价值。


技术实现要素：

6.针对汽轮机中低压级动叶片水蚀损伤严重的问题，本实用新型提供了一种应用于汽轮机的半开式腔室结构捕水环，该结构在汽缸上沿周向整圈布置，可开设于静叶与动叶之间或动叶之后。为提升捕水环的除湿能力，可以在动叶上加工径向沟槽。水滴受到离心力偏离主流后再由捕水环捕获，以达到除湿的效果，有效减缓下游叶片的水蚀损伤。与传统的开式腔室捕水环不同，该结构在水滴入口处设计了梳齿结构，能够有效减少开式腔室对汽轮机气动特性的影响进而减小能量损失。同时在捕水环内加工有引水槽，便于收集到的水流至汽缸下半部分布置的捕水环腔室中，将水最终分离出通流部分，完成除湿过程。
7.本实用新型采用如下技术方案来实现的：
8.一种应用于汽轮机的半开式腔室结构捕水环，包括捕水环，其设置在静叶片与动叶片之间的位置，并沿周向整圈开设于汽缸上。
9.本实用新型进一步的改进在于，动叶片上开有沿径向分布的沟槽，用于将附着到动叶片上的水分离出来。
10.本实用新型进一步的改进在于，沟槽沿径向分布有多个。
11.本实用新型进一步的改进在于，在捕水环入口处设置有梳齿结构。
12.本实用新型进一步的改进在于，捕水环在收集水滴入口处左右两侧设置有凸起，用于对侧壁面形成多个孔口。
13.本实用新型进一步的改进在于，在最靠近通流部分的凸起处加工有引水槽，用于及时排走收集到的水。
14.本实用新型进一步的改进在于，在捕水环靠近汽缸最底部处开设有腔室连接槽，用于将捕获到的水排至腔室中。
15.本实用新型进一步的改进在于，捕水环布置于动叶片之后的位置。
16.本实用新型至少具有如下有益的技术效果：
17.1、本实用新型提供一种应用于汽轮机的半开式腔室结构捕水环，主要应用于汽轮机低压级动叶片附近的汽缸处。利用蒸汽主流中二次水滴的向叶顶运动的特点，或借助动叶片的旋转离心力捕获水滴并将其从主流中分离，以达到除湿效果，进而防止后续叶片水蚀损伤的发生。
18.2、本实用新型提供一种应用于汽轮机的半开式腔室结构捕水环，该捕水环在其水滴捕获进口处存在梳齿结构设计。不同于开式腔室捕水环会影响汽轮机级气动特性的特点，进口处的梳齿结构使得腔室成为半开式结构，借助梳齿结构的效果能够有效减小能量损失。
19.3、本实用新型提供一种应用于汽轮机的半开式腔室结构捕水环，在捕水环入口梳齿结构处加工有引水槽，便于将在汽缸上半部分捕水环内捕获的水引至位于汽缸下半部分的捕水环，再收集到腔室内并完成除湿。
20.4、本实用新型提供一种应用于汽轮机的半开式腔室结构捕水环，该捕水环结构可以自由布置在除湿级的合适位置。通常位于静叶与动叶之间或动叶之后，也可根据动叶片上开设的除水沟槽特点合理选择布置捕水环的位置，以提高除湿效率。
21.5、本实用新型提供一种应用于汽轮机的半开式腔室结构捕水环，根据不同机组的运行工况和容量调整捕水环入口梳齿结构的气室数量或引水槽深度，提升除湿效果。
22.6、本实用新型提供一种应用于汽轮机的半开式腔室结构捕水环，该结构加工工艺简单，可适用于不同造型的汽缸，且制造成本与使用成本低。
附图说明
23.图1为本实用新型一种应用于汽轮机的半开式腔室结构捕水环的示意图；
24.图2为本实用新型一种应用于汽轮机的半开式腔室结构捕水环的局部放大图，其中图2(b)为图2(a)的局部放大图；
25.图3为本实用新型位于汽缸最底部与腔室连接处的示意图；
26.图4为本实用新型位于汽缸最底部与腔室连接处的局部放大图，其中图4(b)为图4(a)的局部放大图；
27.图5为本实用新型其他应用方式的示意图。
28.附图标记说明：
29.1-汽缸，2-静叶片，3-动叶片，4-捕水环，5-梳齿结构，6-引水槽，7-腔室连接槽，8-凸起。
具体实施方式
30.下面将结合附图及具体实施方式对本实用新型做进一步说明：
31.请参阅图1，本实用新型提供的一种应用于汽轮机的半开式腔室结构捕水环的整体结构示意图，捕水环4沿周向整圈开设于汽缸1上，位于静叶片2与动叶片3之间的位置。动叶片3上开有沿径向分布的沟槽，能够有助于将附着到动叶片3上的水分离出来。
32.请参阅图2，本实用新型提供的一种应用于汽轮机的半开式腔室结构捕水环的局部放大图，在捕水环4入口处设置有梳齿结构5。传统的捕水环往往存在开式腔室，除了捕获水滴外也会抽出一定量的蒸汽，这样会影响通流部分的气动特性，使得能量损失增加。而该捕水环结构在收集水滴入口处左右两侧的凸起8与对侧壁面形成多个孔口，能够减少漏过的蒸汽量。在最靠近叶片的凸起处加工有引水槽6，用于及时排走收集到的水，防止其再回到蒸汽主流中。
33.请参阅图3到图4，本实用新型位于汽缸最底部与腔室连接处的示意图与局部放大图。捕水环4整圈开设，引水槽6内收集到的水会由于重力作用向汽缸最底部流动，此处的捕水环4开设有腔室连接槽7，用于将捕获到的水排至腔室中。
34.请参阅图5，本实用新型其他应用形式的示意图。该捕水环结构不仅可以与带有径向沟槽的动叶片配合使用，其单独使用时也可以实现汽水分离效果。此时捕水环4布置于动叶片3之后的位置，由于水滴受到离心力作用会偏离主流向叶顶方向运动，在捕获动叶分离出来的水以外还有来源于前一级未被除去的水及沉积在静叶表面上的水。
35.为了对本实用新型进一步了解，现对其工作原理做进一步详细说明。
36.现代高参数大容量汽轮机组末几级通常为湿蒸汽级，尽管级的平均湿度不高，但在级的外围，局部湿度会比平均湿度大得多，水滴也主要聚集在叶顶部区域。即使是低速汽轮机组，末几级动叶叶顶的圆周速度也有500m/s以上。造成水蚀损伤的水滴会偏离蒸汽主流与动叶片发生高速撞击，使叶片材料失效。本实用新型一种应用于汽轮机的半开式腔室结构捕水环，能够捕获受到旋转离心力作用的水滴，实现汽水分离的效果。在捕水环4入口处设计有梳齿结构5，能够在分离的同时有效减少蒸汽的吸入，不影响汽轮机级的气动性能。梳齿结构孔口处的引水槽6与捕水环4最底部的腔室连接槽7结构配合将分离出的水排至腔室，防止其返回主流之中。该结构能除去蒸汽中的水分，一方面有效减少汽轮机部件受到的水蚀损伤，另一方面提高汽轮机级气动效率。