一种具有非对称扩压器和蜗壳结构的汽轮机排汽缸

1.本发明涉及汽轮机的技术领域，尤其是一种具有非对称扩压器和蜗壳结构的汽轮机排汽缸。


背景技术：

2.进入汽轮机的蒸汽流经各级做功，再经汽轮机的末级叶栅进入排汽缸，最终流向凝汽器。汽流在排汽缸中经过内外导流环形成的扩压器区域，流速降低，动能转换为压力能，形成有效的静压恢复；但由于摩擦、涡流、转向等阻力作用导致压力降低，这部分压降损失被称为汽轮机的排汽阻力损失。因此，一个具有良好气动性能的低压排汽缸能有效降低排汽阻力损失、提升静压恢复。
3.扩压器和蜗壳是排汽缸的两个关键结构。由内外导流环之间通流区域形成的扩压器是排汽缸静压恢复的主要来源，对排汽缸的性能存在重要影响。汽流由扩压器流出后进入排汽蜗壳，在排汽蜗壳内折转汇集流向下游凝汽器，在蜗壳内流动的过程中继续将部分动能转化为压力能，同时汽流折转汇集导致蜗壳内部出现明显的通道涡、端壁涡、分离涡等涡团，引起排汽缸内部流动损失。
4.目前，对于排汽缸扩压器，现有设计较多采用多段焊接导流环或者尺寸较小的导流环部件。忽视了非线性的导流环型线产生涡流对扩压器性能的影响，以及扩压器尺寸过小导致扩压能力不足等问题，使得排汽缸的静压恢复能力受到限制。此外扩压器的设计过程还应该关注与蜗壳的整体耦合设计，从而保证扩压器出流充分发展，尽可能降低涡流损失。对于排汽缸蜗壳，现有设计重点关注蜗壳整体尺寸，以及蜗壳与扩压器相对位置尺寸对排汽缸性能的影响。但是排汽缸蜗壳内部主流区域的流动特征，还存在明显的非对称特性以及严重的涡流损失，在蜗壳设计过程中应该对其加以考虑，缓解涡流损失，从而进一步提升排汽缸的气动性能。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种能够有效降低流动损失，提升静压恢复效果的具有非对称扩压器和蜗壳结构的汽轮机排汽缸。
6.本发明解决现有技术问题所采用的技术方案：一种具有非对称扩压器和蜗壳结构的汽轮机排汽缸，包括由相互连通的上腔体和下腔体拼接固定而成的排汽缸蜗壳，排汽缸蜗壳的前壁面设有入汽口，排汽缸蜗壳的底部设有出汽口；排汽缸蜗壳的内部设有扩压器；扩压器的入口端位于入汽口处且与所述入汽口同轴；所述上腔体包括上腔前壁、上腔后壁及固定设于上腔前壁与上腔后壁之间的圆弧形侧壁；所述下腔体包括柱状空腔；所述上腔后壁自上腔体底部向上腔体顶部倾斜设置，并使所述上腔后壁与上腔前壁之间的距离自上腔体底部向上腔体顶部渐缩，以构成上薄下厚的非对称蜗壳结构；所述下腔体还包括设置于所述柱状空腔底部的倒棱台状收缩腔；所述扩压器包括内导流环和外导流环；外导流环同轴套设于内导流环的外侧；所述外导流环和内导流环为自扩压器入口端至出口端扩张的
喇叭状；内导流环及外导流环的型线均为贝塞尔曲线；内导流环的出口端面为折面结构，包括位于扩压器轴线下方的半圆平面和位于该半圆平面上方的弧形斜面，所述弧形斜面自半圆平面的上端向扩压器入口端方向倾斜，且弧形斜面与所述扩压器轴线的夹角与所述上腔后壁与扩压器轴线的夹角相同；所述半圆平面的圆周固定于下腔后壁及棱台状收缩腔的内侧，弧形斜面的圆周固定于上腔后壁的内侧，以使内导流环形成上、下非对称的结构。
7.所述排汽缸蜗壳内的上腔体前壁与圆弧形侧壁之间设有第一弧形挡板；上腔体后壁与圆弧形侧壁之间设有第二弧形挡板；并使第一弧形挡板与上腔体前壁及圆弧形侧壁围成截面为三角形的弧形空腔；第二弧形挡板与上腔体后壁及圆弧形侧壁围成截面为三角形的弧形空腔；排汽缸蜗壳内的下腔体的前壁两侧与相邻侧壁之间设有第一挡板；下腔体的后壁两侧与相邻侧壁之间设有第二挡板，并使第一挡板与下腔体的前壁和相邻侧壁之间围成截面为三角形的棱柱状空腔；第二挡板与下腔体的后壁和相邻侧壁之间围成截面为三角形的棱柱状空腔。
8.所述倒棱台状收缩腔包括收缩腔前壁、收缩腔后壁及收缩腔侧壁，所述收缩腔后壁为垂直板体，所述收缩腔前壁及收缩腔侧壁均为由所述柱状空腔底部向所述出汽口轴线方向倾斜的斜板体，以使所述下腔体的前、后壁形成非对称的收缩结构。
9.所述倒棱台状收缩腔的底部延伸有凝汽器连接段，所述凝汽器连接段为柱状管段。
10.所述入汽口与扩压器的入口端之间通过阶梯状入口壁面相连。
11.本发明的有益效果在于：本发明结构简单，通过对蜗壳结构和扩压器结构进行改进，充分提升了排汽缸余速动能利用率，提高静压恢复系数；同时减小排汽缸内部的排汽涡流损失，降低总压损失系数，最终提升整个汽轮机组的经济性，主要体现在以下几个方面：1、本发明根据排汽缸做功时蜗壳内部主流区域的流动发展特性，采用非对称的蜗壳结构。对于蜗壳的上腔体，采用将上腔后壁设置为自上腔体底部向上腔体顶部倾斜的斜板状，使得上腔后壁与上腔前壁之间的距离自上腔体底部向上腔体顶部渐缩，以构成上薄下厚的非对称蜗壳结构，即采用单侧收缩处理的几何设计，符合排汽缸内部流体沿轴向带预旋流入，逐渐汇集向下流出的流动特征，即流体从顶部开始逐渐汇集，流量增大流向下游。由于上腔体的上薄下厚的非对称截面几何形状设计，使得流体在排汽缸蜗壳内部各个区域充分发展，避免排汽缸顶部、扩压器出口位置处流体未充满流道，进而产生流动分离，降低有效通流面积，增大流动损失；对于下腔体的蜗壳结构，为了匹配下游凝汽器需要对排汽缸出口尺寸进行收缩限制，在原有的柱状空腔底部设置倒棱台状收缩腔，即在下腔体的收缩腔后壁为垂直板体，收缩腔前壁及收缩腔侧壁均为由柱状空腔底部向出汽口轴线方向倾斜的斜板体的非对称式收缩结构，因此有效保障下腔体扩压器流道的出口端的通流面积，保证较大的进出口面积比，增大扩压效果，提升排汽缸静压恢复能力。
12.2、本发明在排汽缸蜗壳的上腔体前壁及上腔体后壁、下腔体的前壁两侧及下腔体的后壁两侧，适当添加挡板结构以削减流体在角落处回转流动而形成的端壁涡，进而降低涡流损失，减小排汽缸总压损失系数，同时增加排汽缸蜗壳的强度刚度和稳定性。
13.3、在扩压器的结构改进方面：本发明采用以三次贝塞尔曲线为型线的大尺寸非对称导流环几何，使流体在扩压器内更加光滑、平稳的流动，有效降低流动损失；上下非对称的内导流环配合非对称的蜗壳结构，使得各个位置的流道结构更加符合排缸内部流动发展
特性；对于外导流环，采用大尺寸的导流环结构，能分隔导流环内外壁面不同压强流域，使主流沿着导流环内壁面有序回转流动，有效限制蜗壳内部主流涡团发展，降低总压损失；并且大尺寸导流环几何确保扩压器足够的进出口面积比，有效、可靠的提高扩压器的扩压性能，保证排汽缸的静压恢复效果。
附图说明
14.图1是本发明的排汽缸蜗壳结构及蒸汽流动示意图。
15.图2是本发明的排汽缸蜗壳的侧视图。
16.图3是本发明的扩压器结构示意图。
17.图4是图3的b部放大图。
18.图5是本发明的结构示意图。
19.图6是图5的a-a剖视图。
20.图7是本发明中上腔体的仰视图。
21.图8是本发明中下腔体的结构示意图。
22.图中：1-入汽口、2-扩压器、3-入口壁面、4-上腔前壁、5-上腔后壁、6-圆弧形侧壁、7-矩形柱状空腔、8-倒棱台状收缩腔、9-柱状管段、10-第一弧形挡板、11-第二弧形挡板、12-第一挡板、13-第二挡板、14-截面为等腰三角形的弧形空腔、14a-截面为三角形的弧形空腔、15-内壁型线、16-棱柱状空腔、201-内导流环、202-外导流环、201a-半圆平面、201b-弧形斜面、801-收缩腔前壁、802-收缩腔后壁、803-收缩腔侧壁。
具体实施方式
23.以下结合附图及具体实施方式对本发明进行说明：图1是本发明一种具有非对称扩压器和蜗壳结构的汽轮机排汽缸的结构示意图。一种具有非对称扩压器和蜗壳结构的汽轮机排汽缸，包括由相互连通的上腔体和下腔体拼接固定而成的排汽缸蜗壳。在排汽缸蜗壳的前壁面处设有入汽口1，用于输入来自末级叶栅的蒸汽流。排汽缸蜗壳的底部设有与凝汽器相连的出汽口；以使来自上游末级叶栅的蒸汽流沿入汽口1轴向进入排汽缸中，经过扩压器2的折转汇集后，由排汽缸蜗壳的底部的出汽口流向下游凝汽器；排汽缸蜗壳的内部设有扩压器2；扩压器2的入口端位于入汽口1处且与入汽口1同轴，入汽口1与扩压器2的入口端之间，通过与汽轮机的汽封结构和抽汽结构相对应的阶梯状入口壁面3相连；具体地：上腔体包括上腔前壁4、上腔后壁5及固定设于上腔前壁4与上腔后壁5之间的圆弧形侧壁6；如图2所示：上腔后壁5自上腔体底部向上腔体顶部倾斜设置，并使上腔后壁5与上腔前壁4之间的距离自上腔体底部向上腔体顶部渐缩，即在上腔体的后壁位置采用单侧收缩处理的几何设计以构成上薄下厚的非对称蜗壳结构。这样的结构使得流体在排汽缸蜗壳内部各个区域充分发展，避免排汽缸顶部、扩压器2的出口位置处流体未充满流道，进而产生流动分离，降低有效通流面积，增大了流动损失。
24.下腔体包括上下开放的矩形柱状空腔7和设置于柱状空腔底部的倒棱台状收缩腔8，倒棱台状收缩腔8的底部延伸有柱状管段9，该柱状管段9作为凝汽器连接过渡段与凝汽器相连。其中，倒棱台状收缩腔8采用符合流动特征的非对称倒“棱台”收缩结构：包括收缩腔前壁801、收缩腔后壁802及收缩腔侧壁803，其中如图2所示：收缩腔后壁802为垂直板体，
而收缩腔前壁801及收缩腔侧壁803均为由柱状空腔底部向出汽口轴线方向倾斜的斜板体。以使下腔体的前、后壁形成非对称的收缩结构，保障了下腔体扩压器2流道的出汽口端的通流面积，保证较大的进出口面积比，增大扩压效果，提升排汽缸静压恢复能力。
25.图3-图4展示了扩压器的具体结构：扩压器2包括内导流环201和外导流环202；外导流环202同轴套设于内导流环201的外侧；外导流环202和内导流环201为自扩压器入口端至出口端扩张的喇叭状；内导流环201及外导流环202的型线均为三次贝塞尔曲线。以外导流环202为例：如图4所示，外导流环202是初始的一条三次贝塞尔曲线（即图中的空心控制点连线）通过调整各空心控制点最终形成内壁型线15，并在内壁型线15的基础上旋转一周得到。内导流环201和外导流环202的内壁平滑且符合流动机理，从而避免了蒸汽流在扩压器2内产生分离涡团带来的流动损失；如图3、图5所示：内导流环201的出口端面为折面结构，包括位于扩压器2轴线下方的半圆平面201a和位于该半圆平面201a上方的弧形斜面201b，弧形斜面201b自半圆平面201a的上端向扩压器2入口端方向倾斜，且弧形斜面201b与扩压器2轴线的夹角与上腔后壁5与扩压器2轴线的夹角相同；半圆平面201a的圆周固定于下腔体的后壁及棱台状收缩腔的内侧，弧形斜面201b的圆周固定于上腔后壁5的内侧。由于上腔后壁5的斜板状结构对内导流环201末端的长度限制，使得内导流环201形成上、下非对称的结构。大尺寸的导流环结构有效分隔扩压器2中外导流环202壁面间的不同压强流域，使蒸汽流沿内、外导流环201、202壁面有序、可控回转流动，限制排汽缸蜗壳内部蒸汽流涡团发展，降低总压损失；同时，确保扩压器2足够的进出口面积比，有效提高扩压器2的扩压性能，保证排汽缸的静压恢复效果。
26.如图5、图7所示：在排汽缸蜗壳内的上腔体前壁与圆弧形侧壁6之间设有第一弧形挡板10；上腔体后壁与圆弧形侧壁6之间设有第二弧形挡板11。并使第一弧形挡板10与上腔体前壁及圆弧形侧壁6围成截面为等腰三角形的弧形空腔14，第二弧形挡板11与上腔体后壁及圆弧形侧壁6围成截面为三角形的弧形空腔14a。
27.如图8所示：排汽缸蜗壳内的下腔体的前壁两侧与相邻侧壁之间设有第一挡板12；下腔体的后壁两侧与相邻侧壁之间设有第二挡板13，并使第一挡板12与下腔体的前壁和相邻侧壁之间围成截面为三角形的棱柱状空腔16，同样地，第二挡板13与下腔体的后壁和相邻侧壁之间围成截面为三角形的棱柱状空腔16。通过添加第一弧形挡板10、第二弧形挡板11、第一挡板12和第二挡板13减少了流体在蜗壳角落形成端壁涡带来的涡流损失。
28.以上内容是结合具体的优选技术方案对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。