專利名稱：汽輪機用的水分排除槽的制作方法
背景技術：
本發(fā)明涉及一種改進的汽輪機。更具體地說，本發(fā)明涉及汽輪機的靜止部件的改進，特別是汽缸和排氣擴壓器的內氣流導管。
汽輪機的蒸汽流路經由一個靜止內汽缸和一個轉子形成。數目很多的靜葉片沿周面排列地固定在內汽缸上并向內伸入到蒸汽流路徑中。同樣，數目很多的轉動葉片沿周面排列地固定在轉子上并向外伸入到蒸汽流路徑中。靜葉片和轉動葉片排列成交錯的排，使一排靜葉片和緊下游的一排轉動葉片形成一級。靜葉片用于引導蒸汽流，使蒸汽流以正確的角度進入下游的一排轉動葉片。轉動葉片翼面從蒸汽得到能量，由此產生所需功率以傳動轉子和連接在轉子上的載荷。
當蒸汽通過汽輪機流動時，其壓力通過每個相繼的級下降，直到獲得所需的排放壓力。這樣，當蒸汽通過氣流路徑膨脹時，蒸汽的特性即溫度壓力、速度和水分含量逐排變化。在氣流路徑內的某些位置，特別是在一臺低壓汽輪機中的末排轉動葉片的緊上游，蒸汽可能是“濕的”。在濕的蒸汽狀態(tài)下，水滴可能冷凝在鄰近內汽缸的靜葉片上。這些水滴可能從內汽缸被掃入蒸汽流并撞擊下游的一排轉動葉片。這種撞擊可能產生侵蝕，隨后弱化轉動葉片。
為了改善汽輪機排氣系統的熱動力學性能，采用一個排氣擴壓器。美國專利5,257,906(Gray等人)示出這樣一種排氣擴壓器。該排氣擴壓器由內外氣流導管組成。外氣流導管通常利用一個螺栓連接的豎直法蘭固定在內汽缸的葉片環(huán)部分上，雖然也曾使用與葉片環(huán)整體形成的外氣流導管。通常，末排轉動葉片的頂端被外氣流導管的裝有法蘭的區(qū)域所包圍。水分通常從末排轉動葉片的緊上游的蒸汽中利用一個在內汽缸和外氣流導管的法蘭之間形成的間隙除去，例如參見美國專利5,149,248(Cramer)、4,948,335(Silvestri)和3,058,720(Hart等人)。
不幸的是，由于在轉動葉片的頂端和外氣流導管之間需要小的徑向游隙，該方法要求外氣流導管與內汽缸非常精確地對準。這種仔細對準的要求使汽輪機的制造和組裝變復雜了。
已經提出，為了在汽輪機的上游級中除去水分，使用一個連接在徑向排放孔上的沿周邊的槽，參見美國專利3,973,870(Desai)。在該方法中，槽的寬度必須相當大，以便對排放孔的入口提供足夠大的面積，從而避免在槽內積累過多的水分。不幸的是，蒸汽旋轉進入這樣一個大寬度的槽能夠使水分被夾帶入在轉動葉片下游流動的蒸汽中，從而使除去水分的目的落空。
因此需要在汽輪機中提供一個水分排除系統，其中將水分夾帶入蒸汽流的危險被減至最小，同時為汽輪機中的末排轉動葉片提供一個水分排除系統，省去了外氣流導管和內汽缸之間的間隙。
一個現有的低壓汽輪機的功率輸出可以通過改型來提高，這種改型包括增加末排轉動葉片的長度。如果新的末排轉動葉片的中樞直徑產生變化，那么原先的內氣流導管必須用一個與新的一排葉片匹配的內氣流導管來替換，從而為蒸汽流提供一個光滑的路徑。因此需要提供一個方案來改換現有的內氣流導管，以匹配一組新的末排轉動葉片的葉轂直徑。
發(fā)明概要因此，本發(fā)明的一般目的是在汽輪機中提供一個水分排除系統，其中將水分夾帶入蒸汽流的危險被減至最小，同時為汽輪機中的末排轉動葉片提供一個水分排除系統，省去了外氣流導管和內汽缸之間的間隙。本發(fā)明的另一個目的是提供一個方案來改換現有的內氣流導管，以匹配一組新的末排轉動葉片的葉轂直徑。
簡言之，本發(fā)明的這些目的以及其它目的是在一種汽輪機中完成的，該汽輪機包括(i)一個轉子，被安裝用于轉動并有一排固定在其上面的沿周邊伸出的轉動葉片，每個轉動葉片有一個頂端部分(葉尖)；(ii)一個汽缸，包圍該轉子的至少一部分，該汽缸和轉子之間形成一個氣流路徑，用于引導通過汽輪機的蒸汽流。該汽缸具有(i)一個包圍轉動葉片的頂端的沿徑向面向內的表面，使得該汽缸表面和葉片頂端之間形成一個間隙；(ii)一個氣流導管，用于引導蒸汽流離開汽缸，該氣流導管與汽缸整體形成并設置在該包圍轉動葉片頂端的汽缸表面的下游；以及(iii)從蒸汽流除去水分用的機構，該水分除去機構包括一個在汽缸表面上游的汽缸中形成的沿周邊延伸的槽。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，該槽具有(i)一個集流腔，用于收集從蒸汽流中除去的水分的流并用于將水分分配到汽缸中形成的多個排放孔中；(ii)一個入口咽喉部分，用于使集流腔與蒸汽流隔離，以便阻止集流腔中收集的水分被夾帶到蒸汽流中。
本發(fā)明的另一實施例是結合在這樣一種汽輪機中的，這種汽輪機具有(i)多排轉動葉片，包括新的末排轉動葉片，后者的葉轂直徑不同于汽輪機中早先使用的末排轉動葉片的葉轂直徑；(ii)一個現有的氣流導管，用于引導蒸汽流離開早先使用的末排轉動葉片。該現有的氣流導管有一個匹配早先使用的末排轉動葉片的葉轂直徑的入口直徑。根據本發(fā)明的這一實施例，通過將一個新的氣流導管焊接在現有的氣流導管上而使汽輪機配接在新的末排轉動葉片上。該新的氣流導管有一個匹配該新的末排轉動葉片的葉轂直徑的入口直徑。
附圖簡述

圖1是通過一臺雙端低壓汽輪機的縱剖面的一部分；圖2是圖1所示汽輪機的末排轉動葉片頂端附近的詳圖；圖3是通過圖2中所示線III-III截取的截面圖；圖4是表示本發(fā)明另一個實施例的類似于圖2的圖；圖5是表示本發(fā)明另一個實施例的通過一臺雙端低壓汽輪機的縱剖面的一部分。
優(yōu)選實施例描述圖1示出通過一臺雙端低壓汽輪機后端的縱剖面。該汽輪機的主要部件是外汽缸2、由外汽缸包圍的內汽缸3、由內汽缸包圍的沿中心設置的轉子4和排氣系統1。
內汽缸3和轉子4在它們之間形成環(huán)形汽流通路，內汽缸形成該汽流通路的外周面。多個靜葉片和轉動葉片成排交錯排列并伸入汽流通路，每個葉片有一個對汽流20暴露的翼面部分。靜葉片固定在內汽缸3上，而轉動葉片固定在轉子4的周面上。末排靜葉片用標號5表示而末排轉動葉片(即下游最末排)用標號6表示。如圖2中最清楚地表示的，內汽缸3的后部分10(有時被稱作“葉片環(huán)”)有一個包圍末排動態(tài)葉片6的頂端26的內表面12。葉片頂端26和葉片環(huán)表面12之間的徑向間隙通常被稱作葉片“頂端間隙”，并在圖2中用標號14表示。為了盡可能減小動態(tài)葉片排中的損耗，使頂端間隙14保持最小值是重要的。
如圖1中所示，排氣系統1由排氣罩7組成，排氣罩7從汽輪機外汽缸2伸出。排氣罩7的上下部分沿水平法蘭(未示出)聯結。排氣罩7由連接到外緣31上的端壁29形成。外緣31近似地具有倒U形。
在排氣罩7內設置一個排氣擴壓器。排氣擴壓器分別由內外氣流導管8和9形成。內外氣流導管8和9之間形成一個近似環(huán)形的擴壓通道。根據本發(fā)明的優(yōu)選實施例，外氣流導管9與葉片環(huán)10整體形成，例如通過將外氣流導管焊接到葉片環(huán)上。因此，外氣流導管9與葉片環(huán)10的連接沒有螺栓結合。在表面12緊下游的葉片環(huán)表面部分形成外氣流導管9的入口。
或者是，如圖4中所示，作為普通方法，可以利用法蘭33和螺釘35將一個獨立的外氣流導管9’擰緊在葉片環(huán)10’上。但是，如下面進一步討論的，應當注意，在該實施例中葉片環(huán)10’(而不是外氣流導管)包圍轉動葉片頂端26，因此即使當使用這樣一種擰上的外氣流導管時，本發(fā)明也能獲得某些優(yōu)點。
如圖1中所示，外氣流導管9的軸向長度最好圍繞周邊而變化，在其周邊的上部四分之一中最小，而在其周邊的下半部中最大。
在普通裝置中外氣流導管用螺栓結合固定在葉片環(huán)上而內氣流導管上半部并不沿軸向切斷，排氣罩7的上半部在拆卸時移去，方法是首先從葉片環(huán)10上分離外氣流導管9的上半部。排氣罩7上固定有內氣流導管8的上半部，然后可以豎直地升高排氣罩7的頂端半部而不干擾外氣流導管9。
但是，在該優(yōu)選實施例中，外氣流導管9與葉片環(huán)10整體形成，因此，不拆卸葉片環(huán)就不能拆卸外氣流導管9。如先有技術中已知，內氣流導管8的上半部可以沿軸向切斷為上游段8”和下游段8’兩部分，每個部分通過一個獨立的螺栓結合部(未示出)結合在內氣流導管的未切斷的下半部上。下游段8’的軸向長度是這樣的，就是使其前緣位于外氣流導管9的上四分之一中的外氣流導管后緣13的下游。使用這樣一個分段的內氣流導管上半部使得能夠在拆卸時豎直地升高連接了內氣流導管上半部的下游段8’的排氣罩7的頂端半部而不干擾整體形成的外氣流導管9。
排氣罩7與內外氣流導管8和9分別聯結，形成一個近似馬蹄形的內室11。該內室在排氣罩7的連接冷凝器(未示出)的底部中有一個出口32。
如圖1中所示，在操作中，高壓蒸氣20從內汽缸3中形成的環(huán)形內室34進入汽輪機。蒸汽流而后分成兩股，每股從汽輪機中心通過上述蒸汽流路徑沿軸向向外流動，由此將能量傳送給轉動葉片。蒸汽21沿軸向從末排葉片6排出并進入排氣擴壓器。排氣擴壓器引導蒸汽21經過360°弧度進入排氣罩7。然后內室11引導蒸汽進入排氣罩出口32。
如本技術領域中熟知的，通過汽輪機流動的蒸汽中(特別在諸如末排轉動葉片6的剛巧上游的最低壓部分中)的水分易于聚集在靜葉片5和葉片環(huán)10的表面上從而形成水滴。如上所述，這些水滴可能被夾帶在蒸汽流中而撞擊轉動葉片6，造成有害的侵蝕。因此，在水分被夾帶入蒸汽流之前收集和除去被蒸汽沉積的水分是重要的。
根據本發(fā)明，如圖2和圖3中最清楚地表示的，通過在內汽缸3的葉片環(huán)10部分中直接形成一個新穎的水分排除槽16。最好是，槽16圍繞葉片環(huán)10的周邊延伸360°。槽16設置在靜葉片5和包圍轉動葉片6的頂端26的表面12之間。最好是槽16安置在靠近表面12并在表面12的緊上游處。
根據本發(fā)明的一個重要方面，槽16有一個形成入口咽喉的受限制的通道17和一個形成集流腔的近似矩形截面的擴大空腔18。槽的入口咽喉17沿軸向(即沿平行于轉子4的轉動軸的方向)的寬度W’小于槽的集流腔18沿軸向的寬度W”。在該優(yōu)選實施例中，集流腔18的軸向寬度W”至少大到入口咽喉17的軸向寬度W’的兩倍。
多個沿徑向的排放孔24形成于葉片環(huán)10中并從槽的集流腔18向外延伸。排放孔24具有在槽的集流腔18的沿徑向的外壁中形成的入口25。排放孔24的作用是使槽16與排氣罩7中形成的內室11流體連通。
在操作中，流入內室11的蒸汽22的壓力小于進入末排轉動葉片6的蒸汽21的壓力。結果，蒸汽21的一部分23被抽入槽16中并通過排放孔24進入內室11，由此從葉片6旁邊通過。如圖2中所示，在葉片環(huán)10上形成的水滴26被蒸汽流21沿下游帶走，直到它們到達槽的入口咽喉17。然后水滴被旁邊通過的蒸汽流23引入槽的入口咽喉17。在流動通過入口咽喉17后，水滴26收集在集流腔18中，后者然后將水流分配在排放孔24中。從排放孔24出來，水滴26和旁邊通過的蒸汽23進入內室11，并與由排氣罩7引向冷凝器的蒸汽22混合。這樣，槽16和孔24防止水滴26撞擊末排轉動葉片6。
槽的入口咽喉17的寬度很窄，在優(yōu)選實施例中僅為大約1.3cm(0.5英寸)，因此，盡可能縮小了旋轉的蒸汽流21夾帶槽中收集的水分26并將其帶入下游葉片排的傾向，也就是入口咽喉的作用是使集流腔中收集的水分與旋轉蒸汽21相隔離。如上所述，水分26夾帶到流入末排葉片6的蒸汽21中將會使收集和除去水分的目的落空。
擴大的集流腔18保證，盡管入口咽喉17很窄，但槽16內仍有充足容積來收集水分26，同時水分被分配到孔24上并由孔24排出，由此保證槽內容量不會出現暫時溢流。此外，集流腔18的擴大的軸向寬度為孔24的入口25提供充分的空間。這使得可以使用直徑大于槽的入口咽喉17的軸向寬度的徑向排放孔24(如圖2中所示)，也就是排放孔入口25的尺寸不受槽入口17的寬度的限制。因此，保證了從槽16排放水分26的充分的流動容量。
本發(fā)明的水分排除槽16與普通的截面積恒定的槽相反，后者如美國專利3,973,870(Desai)中公開的。在這樣一種普通的方案中，使用一個窄的槽會造成槽中容量不足，同時排放孔入口也不夠大到足以處理水分的流動。此外，在此種普通方案中，使用寬的槽來克服上述窄槽的缺點，會導致水分被夾帶入蒸汽流和由于從旁邊通過末排葉片6的蒸汽流量而引起的能量過分損失。
如上所述，在過去，剛巧在末排轉動葉片的上游除去水分通常是利用一個裝有法蘭的結合部中形成的間隙來完成的，沿該結合部固定有外氣流導管和葉片環(huán)，這種方法公開在美國專利5,149,248(Cramer)、4,948,335(Silvestri)和3,058,720(Hart等人)中，而并不是通過一個直接在葉片環(huán)中形成的槽來完成的。在這種方法中，因為在外氣流導管和葉片環(huán)之間的裝有法蘭的結合部必須安置在末排轉動葉片的上游，所以外氣流導管將包圍轉動葉片的頂端。因此，必須小心地使外氣流導管與葉片環(huán)對準，以保證維持合適的葉片頂端間隙。這使汽輪機的裝配復雜化，并增加了制造費用。
相反，按照本發(fā)明，該水分排除機構是直接聯結在葉片環(huán)10內的。這不需要葉片環(huán)和外氣流導管之間的結合部，使得能夠利用與葉片環(huán)10整體結合的外氣流導管9(如圖2中所示)，由此簡化了裝配和制造。
此外，即使外氣流導管并非整體形成(如圖3的實施例中所示)，按照本發(fā)明直接在葉片環(huán)10中形成水分排除槽16使葉片環(huán)能夠沿軸向向下游延伸，從而葉片環(huán)(而非外氣流導管9)形成包圍轉動葉片頂端26的表面12。這樣，外氣流導管9不需要與葉片環(huán)10精確對準，使得裝配和制造再一次簡化。
圖5表示本發(fā)明的另一實施例，其中通過改變一個現有的內氣流導管42以匹配新的末排轉動葉片6而改進了汽輪機的靜止部件。應當理解，圖5中所示的葉片排6的葉轂的直徑比早先使用的末排轉動葉片的葉轂的直徑大。此外，已經替換或修改了轉子4’，因此新的末排轉動葉片6處于與早先使用的葉片不同的軸向位置中。
本發(fā)明提供了一種新的內氣流導管40，后者合適地匹配新的末排轉動葉片6的直徑和軸向位置，也就是，該新的內氣流導管40有一個入口，其直徑匹配新的末排轉動葉片的葉轂直徑并沿軸向安置在新的末排轉動葉片的葉轂的剛巧下游。按照本發(fā)明，該新的內氣流導管40利用基本上沿周邊的焊接44固定在現有內氣流導管42上。此外，如前所述，為了便于拆卸，該新的內氣流導管40的上半部沿軸向分別分為上游段和下游段40”和40’。該新的內氣流導管的上下半部可以沿螺栓結合的水平法蘭結合，如通常做法一樣。
本發(fā)明可以以其它特定形式實施而并不偏離其精神或基本特性，因此，本發(fā)明的范圍應當參照附屬的權利要求書而非上述說明。
權利要求
1.一種汽輪機，它包括；a)一個轉子，被安裝用于轉動并有一排固定在其上面的沿周邊伸出的轉動葉片，每個所述轉動葉片有一個頂端部分；b)一個汽缸，包圍所述轉子的至少一部分，所述汽缸和所述轉子之間形成一個氣流路徑，用于引導通過所述汽輪機的蒸汽流，所述汽缸具有(i)一個包圍所述轉動葉片的頂端的沿徑向面向內的表面，所述汽缸表面和所述葉片頂端之間形成一個間隙；(ii)一個氣流導管，具有引導所述蒸汽流離開所述汽缸用的機構，所述氣流導管與所述汽缸整體形成并設置在所述汽缸表面的下游；以及(iii)從所述蒸汽流除去水分用的機構，所述水分除去機構包括一個在所述汽缸表面上游的所述汽缸中形成的沿周邊延伸的槽。
2.根據權利要求1所述的汽輪機，其特征在于，所述汽缸有多個從所述周邊槽延伸的孔。
3.根據權利要求2所述的汽輪機，其特征在于，所述孔是沿徑向取向的。
4.根據權利要求2所述的汽輪機，其特征在于，所述槽形成。a)一個入口，具有從所述蒸汽流接受水滴用的機構，所述入口形成一個所述槽的咽喉部分；以及b)一個集流腔，用于收集被所述入口接受的水滴并用于將所述水滴分配到所述孔中。
5.根據權利要求4所述的汽輪機，其特征在于，所述槽的入口和所述槽的集流腔每個有一個沿軸向的寬度，所述槽的集流腔的軸向寬度至少為所述槽的入口的軸向寬度的兩倍。
6.根據權利要求1所述的汽輪機，其特征是還包括一個排氣罩，用于從所述汽輪機排放所述蒸汽流，所述氣流導管的引導機構具有將所述蒸汽流從所述汽缸引向所述排氣罩用的機構。
7.根據權利要求6所述的汽輪機，其特征在于，所述轉子有多排固定于其上的轉動葉片，而且其中被所述汽缸表面包圍的所述一排轉動葉片形成所述多排轉動葉片中最下游的一排。
8.根據權利要求1所述的汽輪機，其特征在于，所述沿周邊的槽設置在所述汽缸表面的附近。
9.根據權利要求1所述的汽輪機，還包括一排設置在所述一排轉動葉片上游的靜葉片，而且其中所述沿周邊的槽設置在所述汽缸表面和所述一排靜葉片之間。
10.根據權利要求9所述的汽輪機，其特征在于，所述一排靜葉片固定在所述汽缸上。
11.一種汽輪機，它包括a)一個轉子，被安裝用于轉動并有一排固定在其上面的沿周邊伸出的轉動葉片；b)一個汽缸，包圍所述轉子的至少一部分，所述汽缸和所述轉子之間形成一個氣流路徑，用于引導通過所述汽輪機的蒸汽流；以及c)從所述蒸汽流除去水分用的機構，所述水分除去機構包括一個在所述汽缸中形成的沿周邊延伸的槽，所述槽具有(i)一個集流腔，用于收集從所述蒸汽流中除去的所述水分的流；以及(ii)用于使所述集流腔與所述蒸汽流隔離的機構，以便阻止在所述集流腔中收集的所述水分被夾帶到所述蒸汽流中。
12.根據權利要求11所述的汽輪機，其特征在于，所述水分除去機構還包括多個在所述汽缸中形成的孔。
13.根據權利要求12所述的汽輪機，其特征在于，所述集流腔具有用于將收集的水分分配到所述汽缸內形成的孔中以便從所述槽內排去的機構。
14.根據權利要求11所述的汽輪機，其特征在于，所述隔離機構包括一個在所述槽中形成的咽喉，所述咽喉和所述集流腔每個有一個沿軸向的寬度，所述咽喉寬度小于所述集流腔寬度。
15.一種汽輪機、它包括a)一個轉子，被安裝用于轉動并有一排固定在其上面的沿周邊伸出的轉動葉片；b)一個汽缸，包圍所述轉子的至少一部分，所述汽缸和所述轉子之間形成一個氣流路徑，用于引導通過所述汽輪機的蒸汽流；以及c)從所述蒸汽流除去水分用的機構，所述水分除去機構包括多個在所述汽缸中形成的孔和一個在所述汽缸中形成的沿周邊延伸的槽，所述槽具有(i)一個入口部分，用于接受所述水分的流；以及(ii)用于將通過所述入口部分接受的水分的流分配到所述孔中的機構，所述分配機構包括一個集流腔，該集流腔沿軸向的寬度大于所述入口部分的寬度。
16.根據權利要求15所述的汽輪機，其特征在于，在所述汽缸中形成的所述孔近似地從所述集流腔沿徑向延伸。
17.根據權利要求16所述的汽輪機，其特征在于，所述集流腔形成一個表面，而且其中每個所述孔有一個在所述集流腔表面中形成的入口。
18.根據權利要求17所述的汽輪機，其特征在于，每個所述孔的直徑大于所述槽的入口部分沿軸向的寬度。
19.根據權利要求15所述的汽輪機，其特征在于，所述集流腔的沿軸向的寬度至少是所述槽的入口部分沿軸向的寬度的兩倍。
20.一種改良汽輪機的方法，該汽輪機具有(i)多排轉動葉片，包括新的末排轉動葉片，所述新的末排轉動葉片有一個葉轂，所述葉轂的直徑不同于所述汽輪機中早先使用的末排轉動葉片的葉轂的直徑，(ii)一個現有的氣流導管，用于引導蒸汽流離開所述早先使用的末排轉動葉片，所述現有的氣流導管有一個匹配所述早先使用的末排轉動葉片的葉轂直徑的入口直徑；該方法包括將一個新的氣流導管焊接在所述現有氣流導管上的步驟，所述新的氣流導管有一個匹配所述新的末排轉動葉片的葉轂直徑的入口直徑。
全文摘要
一種具有改進的靜止部件的汽輪機,其中在末排轉動葉片的緊上游的汽缸靜止葉片環(huán)(10)中形成一個水分排除槽(16)。該槽有一個寬部減小的入口咽喉部分(23)和一個擴大的集流腔部分(11)。槽的集流腔部分將收集的水分分配到多個在葉片環(huán)中形成的徑向排放孔(24)中。入口咽喉的作用是使集流腔與通過汽輪機流動的旋轉蒸汽隔離,由此防止將水滴夾帶入蒸汽流。該葉片環(huán)包圍末排轉動葉片的頂端(26),而該外氣流導管(9)在葉片環(huán)上整體形成。
文檔編號F01D25/32GK1182466SQ96193386
公開日1998年5月20日 申請日期1996年3月1日 優(yōu)先權日1995年3月20日
發(fā)明者路易斯·格雷, 小約翰·C·格勒耐達爾 申請人:西屋電氣公司