专利名称：透平机的排汽系统的制作方法
技术领域：
本发明与一透平机的排气系统有关，诸如汽轮机或燃气轮机等，更具体地说，本发明与轴流式透平机的排气系统有关，其中排气缸的流动面积局部受到限制。
通过降低汽轮机最后一排叶片所受的背压，就可改进汽轮机的性能，因此，汽轮机排气经常排到一可保持一低于大气压的冷凝器中，典型地，从最后一排叶片轴向排出的排气引入到装在汽缸下面的冷凝器，通过汽流转90°弯而从轴向方向转到上下的垂直方向，该流动的转向通过包括与一个排气缸相通的扩压器的排汽系统来达到。
扩压器一般有内流导和外流导组成用来通过降低速度头来增加静压，典型的为外流导的截面形状是一个简单弧形，例如请见美国专利No3,945,760，No4,863,341，No3,697,191和No3690,786然而锥形的扩压器也可利用，例如请见美国专利No4,391,566.
虽然外流导一般为等轴向长度，已建议外流导用于底部排汽系统，其中，外流导的轴向长度绕着其周长呈均匀地变化，在扩压器底部的外流导轴向长度为最大而在顶部则为最小……请见美国专利No5,257,906(Gray et al)。另外一种过去使用的外流导，在外流导的顶半部(即为其周长最上的180°部分)有一个恒定的最小轴向长度，而在其周长最下的约100°处则有一个恒定的最大长度，而在周长约90°-130°和约230°-270°的过渡区，其长度从最小增到最大。
典型地，排气缸接受来自扩压器的蒸汽并通过在排气缸底部出口开孔把蒸汽引到冷凝器。蒸汽以一360°弧度从扩压器进入排气缸，然而，蒸汽从排气缸排到冷凝器仅仅穿过底部出口开孔，这对扩压器底部流动的蒸汽来说是没有问题的，因为通过把该蒸汽转入径向方向，则扩压器把蒸汽转向底部出口开孔，然而，从扩压器顶部排出的蒸汽必须从垂直向上方向转180°到垂直向下方向，除了从轴向方向转90°到垂直向上方向外，由于这种曲折流动路线，蒸汽流动所经受的损失从而降低了排气系统的效率因此也就降低了汽轮机的性能。
当外流导把蒸汽从轴向转向径向时，它就用来通过适当地引导蒸汽流而尽量减小这些损失。一般认为，为了适当地引导蒸汽流，外流导的轴向长度应最好等于至少约为最后叶片排的叶形部分高度的50％。
不幸，发明者已发现某些汽轮机排气系统，尤其是那些较老式的汽轮机，排气缸的流动面积受到局部限制，即从外流导入口到排气缸的空间是比较小，结果，采用外流导的最佳长度会使蒸汽流从垂直向上顺利地转180°变为垂直向下时造成流动面积不够，因此，使用外流导最佳长度并不会产生最佳的热动力性能。
因此希望提供一种用于排气系统高性能的外流导，它能把汽轮机的轴向排气流转为一径向排气流，诸如垂直向下，其中排气缸的流动面积受到局部限制。
所以本发明的目的是提供一种用于排气系统的高性能的外流导，它能把汽轮机的轴向排气流转为一径向气流，例如垂直向下，其中排气缸的流动面积受到局部限制。
简言之，可达到此发明目的和其它发明目的之汽轮机有(i)一个包住一转子且形成一工作流体通路的汽轮机缸体且有一排转动叶片，转子限定的转子轴线，具有叶型部分的各叶片有一个叶尖部分和叶座部分，叶尘和叶座部分之间限定了叶型的长度(ii)一个排气扩压管用来把工作流体引离安置在靠近上述转动叶片排的汽轮机汽缸，排气扩压器设有内流导和外流导，外流导有一个限定其轴向长度的入口和出口，轴向长度随周长而变化，在第一周面位置其长度为最小(iii)一个排气缸有一个形成流路的表面，用来把工作流体导离排气扩压管，流动导向面与外流导的入口隔开一距离，且该距离绕着外流导随周长而变化而在靠近第一周长位置，该距离为最小。
在本发明的一个实施例中，流导表面与外流导的入口在第一周长位置所隔开的最小距离为小于叶片叶型的长度而外流导的最小轴向长度为5％到20％的叶片叶型长度范围。
图1是采用本发明排气系统的一低压汽轮机的纵向剖视图；图2(a)是图2所示的排气系统外部的等轴侧视图(透视图)；图2(b)是图2(a)所示的排气系统为了显示其内部分部件而局部剖切后的透视图；图3是图1所示的取自III-III剖切线的横向剖视图；图4是图1所示排气系统的顶视图；图5是在邻近顶死点外，图1部分的放大视图；图1所示为一双尾式低压汽轮机在邻近排气系统1，通过右边尾缸的纵向剖视图。该汽轮机的主要部件是一个外汽缸2，一个被外汽缸围住的内汽缸3，一个由内汽缸围住的居中安置的转子4和一个排气系统1.内缸3和转子4之间形成一个环形的蒸汽流路，内缸则形成环形流路的外周，若干静叶片和动叶片，各叶片具有暴露在蒸汽流20中的叶型部分，动、静叶片、排交替安置且向着蒸汽流路方向延伸，静叶片附在内缸3上而动叶片则连在转子4的周边，最后的静叶片排用标号5表示而最后的动叶片排(即气流下游的最后排)用标号6表示，由内缸3形成的流路以最后排叶片6为终点。
如图5所示，最后排叶片6有一叶型部分25和一叶根部分24，通过叶根，叶片连到汽轮机的转子4上，叶型25的远端构成一个叶尖部分26，叶型25邻近根部的近端则构成叶型的基座部分27，叶尖26和叶座27之间的径向距离各自限定了叶型24的长度H，叶型25的长度H在下文将讨论的排气系统设计中是一个重要的参数。
如图1到图3所示，排气系统1是由从汽轮机外缸2延伸的排气缸7所组成，排气缸7的上部和下部是沿着水平凸缘33而互连在一起，排气缸7是由连到一外缸轮廓31的端壁29所构成，端壁29垂直延伸在凸缘33之下而在凸缘33上方则弯向汽轮机汽缸2，轮廓31有大致的倒U形，出口32开在排气缸7的底部且连到一冷凝器(未示出)。
一排气扩压器安置在排气缸7之内，排气扩压器分别由内流导8和外流导9构成，内流导8和外流导9之间形成了一个大致呈环形的扩压通道，外流导9通过一凸缘29连到内汽缸3上，如图5所示，凸缘28有一个围绕着最后排叶片6的叶尖26的内表面，该叶尖27下游处的部分内表面构成了外流导9的入口12，而边缘13则构成了外流导9的出口，外流导9的入口12和出口边缘13之间的轴向距离限定了它的轴向长度。
如图1到图3所示，排汽缸7有一个分别与内、外流导8和9相连结的表面30，在图1的本实施例中，该表面30构成了一个大致呈马蹄形的腔室11，该表面30是由轮廓31的内面和端壁29所构成。
如图1所示，蒸汽20从外缸2的环形腔室进入汽轮机，随后，蒸汽流分成两股蒸汽流，每股蒸汽流从汽轮机中心处沿轴向向外流动穿过上述的蒸汽流路，从而把能量传给转动叶片，蒸汽21从最后排叶片6轴向排出而进入排气扩压管，排气扩压管再导引蒸汽21，经过360°弧度而引入排气缸7内。由于排气缸表面的曲率，扩压管把蒸汽21转90°而引向大致径向蒸汽流22中而进入腔室11，而在腔室11的导流面30则把蒸汽22引入到排气缸出口12。
如上文所述，现已发现，通过使用一个具有轴向长度的外流导，在扩压管中蒸汽21通过90°角的转弯而引起损耗可减到量小，也就是外流导入口12和出口边缘13之间的轴向距离，也就是至少等于50％最后排叶片6的叶型24高度H。
如图3所示，出自扩压器的径向流动蒸汽22在腔室11的底部继续沿径向向下流过出口32，然而，在腔室11的顶部即在马蹄形的顶点，蒸汽22以垂直向上方向通过排气扩压管排出而且还必须绕着马蹿形转一个外加的180°弯垂直向下流到开孔32。蒸汽流32通过排气缸7的导流面30的该180°转弯引导，在腔室11顶部蒸汽流方向大的和较突然的改变往往会产生蒸汽流中的涡流和损耗，这种涡流和损耗会恶化汽轮机的性能。
这种由蒸汽流转弯引起的损失在某些汽轮机中会加剧尤其是那些较老式的汽轮机中，其中，腔室11的流通面积在某些地方受到限制，本发明是有关这种限制流动面积的排汽系统，如图3所示，在这种典型的排汽系统中，轮廓31的上半部有点扁平且有一个大致的半椭圆形。此外，如图1和图4所示，为了方便转子轴承的加入，一个端壁29的半圆形径向延伸部分10从一个内流导8的上部部部分突出。因此，从外流导9的入口12到排气缸7的导流面30的距离，在外流导的顶面处比外流导的底面处要小得多。
由于这种情景，导流面30所引导的蒸汽流在腔室11内作一个180°转弯，如果使用一个全长的外流导9，即使用一个其轴向长度为至少50％叶片的叶型高度H，那么腔室11的上部流通面积不足以合适地引导蒸汽流22到排汽缸出口32，结果，一在此限制面积的排汽缸内，使用全长的外流导并不会最大地减小蒸汽流所遭受的损失，甚至可能会加剧此损失。
根据本发明，通过使用与上文所述排气系统相关的流通面积约束所相匹配的轴向长度的外流导，那么上述问题就迎刃而解。具体地说，发明人已发现，其轴向长度超过最后排叶片的叶型高度50％的外流导可用在位于该流通面积中外流导的任何部分，其中，从外流导9的入口12到排气缸7的导流面30的距离至少与最后排叶片6的叶型24的高度H一样大。然而，对位于该流通面积外流导的任何部分，外流导的入口12到排气缸7的导流面30的距离小于叶片叶型的高度H，外流导的轴向长度应该不大于30％叶型高度H，最好在5％到20％叶型高度H的范围内。因此，对局部限制流通面积区的排汽系统，外流导的轴向长度应随其周长而变化，如图1到图4所示。
在图5所示的本发明实施例中，从外流导在顶死点的入口12到导流面30的径向距离DR和轴向距离DA小于最后排叶片叶型25的高度H。如图3所示，此情况持续到一般环绕与转子转动轴线成60°角的A1段(在最佳实施例中，外流导9绕着垂直中心线呈对称，这样，段A1从顶死点沿顺时针方向和逆时针方向各延伸30°)。因此，在位于段A1的外流导9的部分15内，在图1中，用Y表示的其轴向长度小于30％最后排叶片叶型25的高度，最好是在5％到20％叶型高度范围内，5％叶型高度就更理想，如图3所示，在最佳实施例中，轴向长度15全部是一个常数且等于约5％叶片的叶型高度H。
相反，在位于一A4段的外流导9的部分1 8环绕一个在外流导下部约240°的角度，从外流导入口12到排汽系统7的导流面30的距离大于最后排叶片叶型25的高度H，因此，用X表示的外流导9部分18的轴向长度大于50％叶片叶型的高度H，在最佳实施例中，在整个部分的轴向长度是不变的且等于约65％叶片叶型的高度H。
在位于段A2和段A3的外流导9的部分16和17，在部分15和18之间各环绕一30°角，从外流导入口12到排汽系统7的导流面30的距离大于最后排叶片叶型25的高度H，虽然在这些区段有足够的流通面积以允许使用一至少为50％叶片叶型高度H的流导轴向长度，最好，外流导长度在这些部分随角方位呈线性增加以便形成一个最小长度部分15和最大长度部分18之间的顺利过渡。
所以，外流导9的轴向长度作为一个从外流导入口12到排气缸7的导流面30距离的函数，绕着其圆周且随周长而变化。
权利要求
1.一个透平机，其特征在于一个包绕转子(4)的透平机缸(2)且构成一工作流体(21)的流路，上述转子限定了一其轴线且有一排转动叶片(6)，上述各叶片有一带叶尖部分(26)和叶座部分(27)的叶型部分(25)，上述叶尖和叶座部分限定一个它们之间的叶型长度(H)；一个排气扩压管用于引导上述工作流体离开上述靠近叶片排的透平机缸，上述排气扩压管有内流导(8)和9外流导(9)，上述外流导有一个限定其间轴向长度的入口(12)和出口(13)，上述轴向长度随周长而变化且在第一周长位置为最小；一个排气缸(7)有一个构成导引工作流体离开上述排气扩压管流路的表面，上述导流面与上述外流导的入口隔开一距离，上述距离绕着上述外流导随周长而改变，且靠近上述第一周长位置处为最小。
2.根据权利要求1所述的透平机，其特征在于，在上述第一周长位置，上述外流导入口(12)与上述导流面(30)所隔开的距离小于上述叶片型面的长度(H)。
3.根据权利要求2所述的透平机，其特征在于，上述外流导(9)的最小轴向工度(Y)不大于30％上述叶片叶型的长度(H)
4.根据权利要求3所述的透平机，其特征在于上述外流导(9)的最小轴向长度(Y)是在5％到20％上述叶片叶型长度(H)的范围内。
5.根据权利要求3所述的透平机，其特征在于在整个第一周长段(A1)，导流面(30)与上述外流导入口(12)隔开的距离小于叶片叶型的长度(H)，上述第一周长位置安置在第一周长段内。
6.根据权利要求5所述的透平机，其特征在于整个第一周长段(A1)，上述外流导的轴向长度是在5％到20％上述叶片叶型长度(H)的范围内。
7.根据权利要求6所述的透平机，其特征在于上述第一周长段(A1)相对于转子的轴线包绕有至少60°的角度。
8.根据权利要求5所述的透平机，其特征在于一安置在第一周长段(A1)外的第二周长位置，上述外流导(9)的轴向长度(X)是至少50％上述叶片叶型的长度(H)。
9.根据权利要求8所述的透平机，其特征在于在上述第二周长位置，上述导流面(30)与上述外流导的入口(12)所隔开的距离大于上述叶片叶型的长度(H)。
10.根据权利要求9所述的透平机，其特征在于在上述安置在第二周长段的第二周长位置，上述导流面(30)与上述外流导的入口(12)所隔开的距离大于上述叶片叶型的长度(H)。
11.根据权利要求10所述的透平机，其特征在于在整个上述第二周长段(A4)，上述外流导(9)的轴向长度(X)等于至少50％上述叶片叶型长度(H)。
12.根据权利要求11所述的透平机，其特征在于上述第二周长段(A4)相对于上述转子的轴线包绕有一至少240°的角度。
13.根据权利要求10所述的透平机，其特征在于上述外流导(9)的轴向长度随着上述第一周长段(A1)和上述第二周长段(A4)之间的上述外流导部分(A2，A3)而变化。
14.根据权利要求13所述的透平机，其特征在于上述外流导(9)的轴向长度随着上述第一周长度段(A1)和上述第二周长段(A4)之间的上述外流导部分(A2，A3)的呈线性变化。
15.根据权利要求1所述的透平机，其特征在于上述导流面(30)包括一个大致呈“U”形的部分。
16.根据权利要求1所述的透平机，其特征在于由上述汽缸(2)构成的上述流路以大致的轴向排出工作流体(21)，上述扩压管有把上述工流体转变为多个径向流动的装置(8，9)，其中，导流面有把上述工作流体引导到只有一个上述径向流动的装置(30)。
全文摘要
一个具有一扩压管的轴流汽轮机的排汽系统，包含有把工作流体从汽缸引导到有一底开口的排汽缸的内流导(8)和外流导(9)，从而把汽流转90°从轴向转为径向，在扩压管顶部的气流(22)由一排气缸的导流面引导而转180°从向上方向变为向下方向，绕着其周长的外流导轴向长度作为一从排气缸导流面到外流导的入口(12)之间距离的函数而变化，所以在外流导的任何部分，外流导的轴向长度小于30％最后排叶片叶型的高度(H)，其中从导流面到外流导入口(12)的距离小于叶型高度。
文档编号F01D25/30GK1152344SQ95194030
公开日1997年6月18日 申请日期1995年6月5日 优先权日1994年6月13日
发明者刘易斯·格雷 申请人:西屋电气公司