专利名称：汽轮机用的水分排除槽的制作方法
背景技术：
本发明涉及一种改进的汽轮机。更具体地说，本发明涉及汽轮机的静止部件的改进，特别是汽缸和排气扩压器的内气流导管。
汽轮机的蒸汽流路经由一个静止内汽缸和一个转子形成。数目很多的静叶片沿周面排列地固定在内汽缸上并向内伸入到蒸汽流路径中。同样，数目很多的转动叶片沿周面排列地固定在转子上并向外伸入到蒸汽流路径中。静叶片和转动叶片排列成交错的排，使一排静叶片和紧下游的一排转动叶片形成一级。静叶片用于引导蒸汽流，使蒸汽流以正确的角度进入下游的一排转动叶片。转动叶片翼面从蒸汽得到能量，由此产生所需功率以传动转子和连接在转子上的载荷。
当蒸汽通过汽轮机流动时，其压力通过每个相继的级下降，直到获得所需的排放压力。这样，当蒸汽通过气流路径膨胀时，蒸汽的特性即温度压力、速度和水分含量逐排变化。在气流路径内的某些位置，特别是在一台低压汽轮机中的末排转动叶片的紧上游，蒸汽可能是“湿的”。在湿的蒸汽状态下，水滴可能冷凝在邻近内汽缸的静叶片上。这些水滴可能从内汽缸被扫入蒸汽流并撞击下游的一排转动叶片。这种撞击可能产生侵蚀，随后弱化转动叶片。
为了改善汽轮机排气系统的热动力学性能，采用一个排气扩压器。美国专利5,257,906(Gray等人)示出这样一种排气扩压器。该排气扩压器由内外气流导管组成。外气流导管通常利用一个螺栓连接的竖直法兰固定在内汽缸的叶片环部分上，虽然也曾使用与叶片环整体形成的外气流导管。通常，末排转动叶片的顶端被外气流导管的装有法兰的区域所包围。水分通常从末排转动叶片的紧上游的蒸汽中利用一个在内汽缸和外气流导管的法兰之间形成的间隙除去，例如参见美国专利5,149,248(Cramer)、4,948,335(Silvestri)和3,058,720(Hart等人)。
不幸的是，由于在转动叶片的顶端和外气流导管之间需要小的径向游隙，该方法要求外气流导管与内汽缸非常精确地对准。这种仔细对准的要求使汽轮机的制造和组装变复杂了。
已经提出，为了在汽轮机的上游级中除去水分，使用一个连接在径向排放孔上的沿周边的槽，参见美国专利3,973,870(Desai)。在该方法中，槽的宽度必须相当大，以便对排放孔的入口提供足够大的面积，从而避免在槽内积累过多的水分。不幸的是，蒸汽旋转进入这样一个大宽度的槽能够使水分被夹带入在转动叶片下游流动的蒸汽中，从而使除去水分的目的落空。
因此需要在汽轮机中提供一个水分排除系统，其中将水分夹带入蒸汽流的危险被减至最小，同时为汽轮机中的末排转动叶片提供一个水分排除系统，省去了外气流导管和内汽缸之间的间隙。
一个现有的低压汽轮机的功率输出可以通过改型来提高，这种改型包括增加末排转动叶片的长度。如果新的末排转动叶片的中枢直径产生变化，那么原先的内气流导管必须用一个与新的一排叶片匹配的内气流导管来替换，从而为蒸汽流提供一个光滑的路径。因此需要提供一个方案来改换现有的内气流导管，以匹配一组新的末排转动叶片的叶毂直径。
发明概要因此，本发明的一般目的是在汽轮机中提供一个水分排除系统，其中将水分夹带入蒸汽流的危险被减至最小，同时为汽轮机中的末排转动叶片提供一个水分排除系统，省去了外气流导管和内汽缸之间的间隙。本发明的另一个目的是提供一个方案来改换现有的内气流导管，以匹配一组新的末排转动叶片的叶毂直径。
简言之，本发明的这些目的以及其它目的是在一种汽轮机中完成的，该汽轮机包括(i)一个转子，被安装用于转动并有一排固定在其上面的沿周边伸出的转动叶片，每个转动叶片有一个顶端部分(叶尖)；(ii)一个汽缸，包围该转子的至少一部分，该汽缸和转子之间形成一个气流路径，用于引导通过汽轮机的蒸汽流。该汽缸具有(i)一个包围转动叶片的顶端的沿径向面向内的表面，使得该汽缸表面和叶片顶端之间形成一个间隙；(ii)一个气流导管，用于引导蒸汽流离开汽缸，该气流导管与汽缸整体形成并设置在该包围转动叶片顶端的汽缸表面的下游；以及(iii)从蒸汽流除去水分用的机构，该水分除去机构包括一个在汽缸表面上游的汽缸中形成的沿周边延伸的槽。
在本发明的一个优选实施例中，该槽具有(i)一个集流腔，用于收集从蒸汽流中除去的水分的流并用于将水分分配到汽缸中形成的多个排放孔中；(ii)一个入口咽喉部分，用于使集流腔与蒸汽流隔离，以便阻止集流腔中收集的水分被夹带到蒸汽流中。
本发明的另一实施例是结合在这样一种汽轮机中的，这种汽轮机具有(i)多排转动叶片，包括新的末排转动叶片，后者的叶毂直径不同于汽轮机中早先使用的末排转动叶片的叶毂直径；(ii)一个现有的气流导管，用于引导蒸汽流离开早先使用的末排转动叶片。该现有的气流导管有一个匹配早先使用的末排转动叶片的叶毂直径的入口直径。根据本发明的这一实施例，通过将一个新的气流导管焊接在现有的气流导管上而使汽轮机配接在新的末排转动叶片上。该新的气流导管有一个匹配该新的末排转动叶片的叶毂直径的入口直径。
附图简述
图1是通过一台双端低压汽轮机的纵剖面的一部分；图2是图1所示汽轮机的末排转动叶片顶端附近的详图；图3是通过图2中所示线III-III截取的截面图；图4是表示本发明另一个实施例的类似于图2的图；图5是表示本发明另一个实施例的通过一台双端低压汽轮机的纵剖面的一部分。
优选实施例描述图1示出通过一台双端低压汽轮机后端的纵剖面。该汽轮机的主要部件是外汽缸2、由外汽缸包围的内汽缸3、由内汽缸包围的沿中心设置的转子4和排气系统1。
内汽缸3和转子4在它们之间形成环形汽流通路，内汽缸形成该汽流通路的外周面。多个静叶片和转动叶片成排交错排列并伸入汽流通路，每个叶片有一个对汽流20暴露的翼面部分。静叶片固定在内汽缸3上，而转动叶片固定在转子4的周面上。末排静叶片用标号5表示而末排转动叶片(即下游最末排)用标号6表示。如图2中最清楚地表示的，内汽缸3的后部分10(有时被称作“叶片环”)有一个包围末排动态叶片6的顶端26的内表面12。叶片顶端26和叶片环表面12之间的径向间隙通常被称作叶片“顶端间隙”，并在图2中用标号14表示。为了尽可能减小动态叶片排中的损耗，使顶端间隙14保持最小值是重要的。
如图1中所示，排气系统1由排气罩7组成，排气罩7从汽轮机外汽缸2伸出。排气罩7的上下部分沿水平法兰(未示出)联结。排气罩7由连接到外缘31上的端壁29形成。外缘31近似地具有倒U形。
在排气罩7内设置一个排气扩压器。排气扩压器分别由内外气流导管8和9形成。内外气流导管8和9之间形成一个近似环形的扩压通道。根据本发明的优选实施例，外气流导管9与叶片环10整体形成，例如通过将外气流导管焊接到叶片环上。因此，外气流导管9与叶片环10的连接没有螺栓结合。在表面12紧下游的叶片环表面部分形成外气流导管9的入口。
或者是，如图4中所示，作为普通方法，可以利用法兰33和螺钉35将一个独立的外气流导管9’拧紧在叶片环10’上。但是，如下面进一步讨论的，应当注意，在该实施例中叶片环10’(而不是外气流导管)包围转动叶片顶端26，因此即使当使用这样一种拧上的外气流导管时，本发明也能获得某些优点。
如图1中所示，外气流导管9的轴向长度最好围绕周边而变化，在其周边的上部四分之一中最小，而在其周边的下半部中最大。
在普通装置中外气流导管用螺栓结合固定在叶片环上而内气流导管上半部并不沿轴向切断，排气罩7的上半部在拆卸时移去，方法是首先从叶片环10上分离外气流导管9的上半部。排气罩7上固定有内气流导管8的上半部，然后可以竖直地升高排气罩7的顶端半部而不干扰外气流导管9。
但是，在该优选实施例中，外气流导管9与叶片环10整体形成，因此，不拆卸叶片环就不能拆卸外气流导管9。如先有技术中已知，内气流导管8的上半部可以沿轴向切断为上游段8”和下游段8’两部分，每个部分通过一个独立的螺栓结合部(未示出)结合在内气流导管的未切断的下半部上。下游段8’的轴向长度是这样的，就是使其前缘位于外气流导管9的上四分之一中的外气流导管后缘13的下游。使用这样一个分段的内气流导管上半部使得能够在拆卸时竖直地升高连接了内气流导管上半部的下游段8’的排气罩7的顶端半部而不干扰整体形成的外气流导管9。
排气罩7与内外气流导管8和9分别联结，形成一个近似马蹄形的内室11。该内室在排气罩7的连接冷凝器(未示出)的底部中有一个出口32。
如图1中所示，在操作中，高压蒸气20从内汽缸3中形成的环形内室34进入汽轮机。蒸汽流而后分成两股，每股从汽轮机中心通过上述蒸汽流路径沿轴向向外流动，由此将能量传送给转动叶片。蒸汽21沿轴向从末排叶片6排出并进入排气扩压器。排气扩压器引导蒸汽21经过360°弧度进入排气罩7。然后内室11引导蒸汽进入排气罩出口32。
如本技术领域中熟知的，通过汽轮机流动的蒸汽中(特别在诸如末排转动叶片6的刚巧上游的最低压部分中)的水分易于聚集在静叶片5和叶片环10的表面上从而形成水滴。如上所述，这些水滴可能被夹带在蒸汽流中而撞击转动叶片6，造成有害的侵蚀。因此，在水分被夹带入蒸汽流之前收集和除去被蒸汽沉积的水分是重要的。
根据本发明，如图2和图3中最清楚地表示的，通过在内汽缸3的叶片环10部分中直接形成一个新颖的水分排除槽16。最好是，槽16围绕叶片环10的周边延伸360°。槽16设置在静叶片5和包围转动叶片6的顶端26的表面12之间。最好是槽16安置在靠近表面12并在表面12的紧上游处。
根据本发明的一个重要方面，槽16有一个形成入口咽喉的受限制的通道17和一个形成集流腔的近似矩形截面的扩大空腔18。槽的入口咽喉17沿轴向(即沿平行于转子4的转动轴的方向)的宽度W’小于槽的集流腔18沿轴向的宽度W”。在该优选实施例中，集流腔18的轴向宽度W”至少大到入口咽喉17的轴向宽度W’的两倍。
多个沿径向的排放孔24形成于叶片环10中并从槽的集流腔18向外延伸。排放孔24具有在槽的集流腔18的沿径向的外壁中形成的入口25。排放孔24的作用是使槽16与排气罩7中形成的内室11流体连通。
在操作中，流入内室11的蒸汽22的压力小于进入末排转动叶片6的蒸汽21的压力。结果，蒸汽21的一部分23被抽入槽16中并通过排放孔24进入内室11，由此从叶片6旁边通过。如图2中所示，在叶片环10上形成的水滴26被蒸汽流21沿下游带走，直到它们到达槽的入口咽喉17。然后水滴被旁边通过的蒸汽流23引入槽的入口咽喉17。在流动通过入口咽喉17后，水滴26收集在集流腔18中，后者然后将水流分配在排放孔24中。从排放孔24出来，水滴26和旁边通过的蒸汽23进入内室11，并与由排气罩7引向冷凝器的蒸汽22混合。这样，槽16和孔24防止水滴26撞击末排转动叶片6。
槽的入口咽喉17的宽度很窄，在优选实施例中仅为大约1.3cm(0.5英寸)，因此，尽可能缩小了旋转的蒸汽流21夹带槽中收集的水分26并将其带入下游叶片排的倾向，也就是入口咽喉的作用是使集流腔中收集的水分与旋转蒸汽21相隔离。如上所述，水分26夹带到流入末排叶片6的蒸汽21中将会使收集和除去水分的目的落空。
扩大的集流腔18保证，尽管入口咽喉17很窄，但槽16内仍有充足容积来收集水分26，同时水分被分配到孔24上并由孔24排出，由此保证槽内容量不会出现暂时溢流。此外，集流腔18的扩大的轴向宽度为孔24的入口25提供充分的空间。这使得可以使用直径大于槽的入口咽喉17的轴向宽度的径向排放孔24(如图2中所示)，也就是排放孔入口25的尺寸不受槽入口17的宽度的限制。因此，保证了从槽16排放水分26的充分的流动容量。
本发明的水分排除槽16与普通的截面积恒定的槽相反，后者如美国专利3,973,870(Desai)中公开的。在这样一种普通的方案中，使用一个窄的槽会造成槽中容量不足，同时排放孔入口也不够大到足以处理水分的流动。此外，在此种普通方案中，使用宽的槽来克服上述窄槽的缺点，会导致水分被夹带入蒸汽流和由于从旁边通过末排叶片6的蒸汽流量而引起的能量过分损失。
如上所述，在过去，刚巧在末排转动叶片的上游除去水分通常是利用一个装有法兰的结合部中形成的间隙来完成的，沿该结合部固定有外气流导管和叶片环，这种方法公开在美国专利5,149,248(Cramer)、4,948,335(Silvestri)和3,058,720(Hart等人)中，而并不是通过一个直接在叶片环中形成的槽来完成的。在这种方法中，因为在外气流导管和叶片环之间的装有法兰的结合部必须安置在末排转动叶片的上游，所以外气流导管将包围转动叶片的顶端。因此，必须小心地使外气流导管与叶片环对准，以保证维持合适的叶片顶端间隙。这使汽轮机的装配复杂化，并增加了制造费用。
相反，按照本发明，该水分排除机构是直接联结在叶片环10内的。这不需要叶片环和外气流导管之间的结合部，使得能够利用与叶片环10整体结合的外气流导管9(如图2中所示)，由此简化了装配和制造。
此外，即使外气流导管并非整体形成(如图3的实施例中所示)，按照本发明直接在叶片环10中形成水分排除槽16使叶片环能够沿轴向向下游延伸，从而叶片环(而非外气流导管9)形成包围转动叶片顶端26的表面12。这样，外气流导管9不需要与叶片环10精确对准，使得装配和制造再一次简化。
图5表示本发明的另一实施例，其中通过改变一个现有的内气流导管42以匹配新的末排转动叶片6而改进了汽轮机的静止部件。应当理解，图5中所示的叶片排6的叶毂的直径比早先使用的末排转动叶片的叶毂的直径大。此外，已经替换或修改了转子4’，因此新的末排转动叶片6处于与早先使用的叶片不同的轴向位置中。
本发明提供了一种新的内气流导管40，后者合适地匹配新的末排转动叶片6的直径和轴向位置，也就是，该新的内气流导管40有一个入口，其直径匹配新的末排转动叶片的叶毂直径并沿轴向安置在新的末排转动叶片的叶毂的刚巧下游。按照本发明，该新的内气流导管40利用基本上沿周边的焊接44固定在现有内气流导管42上。此外，如前所述，为了便于拆卸，该新的内气流导管40的上半部沿轴向分别分为上游段和下游段40”和40’。该新的内气流导管的上下半部可以沿螺栓结合的水平法兰结合，如通常做法一样。
本发明可以以其它特定形式实施而并不偏离其精神或基本特性，因此，本发明的范围应当参照附属的权利要求书而非上述说明。
权利要求
1.一种汽轮机，它包括；a)一个转子，被安装用于转动并有一排固定在其上面的沿周边伸出的转动叶片，每个所述转动叶片有一个顶端部分；b)一个汽缸，包围所述转子的至少一部分，所述汽缸和所述转子之间形成一个气流路径，用于引导通过所述汽轮机的蒸汽流，所述汽缸具有(i)一个包围所述转动叶片的顶端的沿径向面向内的表面，所述汽缸表面和所述叶片顶端之间形成一个间隙；(ii)一个气流导管，具有引导所述蒸汽流离开所述汽缸用的机构，所述气流导管与所述汽缸整体形成并设置在所述汽缸表面的下游；以及(iii)从所述蒸汽流除去水分用的机构，所述水分除去机构包括一个在所述汽缸表面上游的所述汽缸中形成的沿周边延伸的槽。
2.根据权利要求1所述的汽轮机，其特征在于，所述汽缸有多个从所述周边槽延伸的孔。
3.根据权利要求2所述的汽轮机，其特征在于，所述孔是沿径向取向的。
4.根据权利要求2所述的汽轮机，其特征在于，所述槽形成。a)一个入口，具有从所述蒸汽流接受水滴用的机构，所述入口形成一个所述槽的咽喉部分；以及b)一个集流腔，用于收集被所述入口接受的水滴并用于将所述水滴分配到所述孔中。
5.根据权利要求4所述的汽轮机，其特征在于，所述槽的入口和所述槽的集流腔每个有一个沿轴向的宽度，所述槽的集流腔的轴向宽度至少为所述槽的入口的轴向宽度的两倍。
6.根据权利要求1所述的汽轮机，其特征是还包括一个排气罩，用于从所述汽轮机排放所述蒸汽流，所述气流导管的引导机构具有将所述蒸汽流从所述汽缸引向所述排气罩用的机构。
7.根据权利要求6所述的汽轮机，其特征在于，所述转子有多排固定于其上的转动叶片，而且其中被所述汽缸表面包围的所述一排转动叶片形成所述多排转动叶片中最下游的一排。
8.根据权利要求1所述的汽轮机，其特征在于，所述沿周边的槽设置在所述汽缸表面的附近。
9.根据权利要求1所述的汽轮机，还包括一排设置在所述一排转动叶片上游的静叶片，而且其中所述沿周边的槽设置在所述汽缸表面和所述一排静叶片之间。
10.根据权利要求9所述的汽轮机，其特征在于，所述一排静叶片固定在所述汽缸上。
11.一种汽轮机，它包括a)一个转子，被安装用于转动并有一排固定在其上面的沿周边伸出的转动叶片；b)一个汽缸，包围所述转子的至少一部分，所述汽缸和所述转子之间形成一个气流路径，用于引导通过所述汽轮机的蒸汽流；以及c)从所述蒸汽流除去水分用的机构，所述水分除去机构包括一个在所述汽缸中形成的沿周边延伸的槽，所述槽具有(i)一个集流腔，用于收集从所述蒸汽流中除去的所述水分的流；以及(ii)用于使所述集流腔与所述蒸汽流隔离的机构，以便阻止在所述集流腔中收集的所述水分被夹带到所述蒸汽流中。
12.根据权利要求11所述的汽轮机，其特征在于，所述水分除去机构还包括多个在所述汽缸中形成的孔。
13.根据权利要求12所述的汽轮机，其特征在于，所述集流腔具有用于将收集的水分分配到所述汽缸内形成的孔中以便从所述槽内排去的机构。
14.根据权利要求11所述的汽轮机，其特征在于，所述隔离机构包括一个在所述槽中形成的咽喉，所述咽喉和所述集流腔每个有一个沿轴向的宽度，所述咽喉宽度小于所述集流腔宽度。
15.一种汽轮机、它包括a)一个转子，被安装用于转动并有一排固定在其上面的沿周边伸出的转动叶片；b)一个汽缸，包围所述转子的至少一部分，所述汽缸和所述转子之间形成一个气流路径，用于引导通过所述汽轮机的蒸汽流；以及c)从所述蒸汽流除去水分用的机构，所述水分除去机构包括多个在所述汽缸中形成的孔和一个在所述汽缸中形成的沿周边延伸的槽，所述槽具有(i)一个入口部分，用于接受所述水分的流；以及(ii)用于将通过所述入口部分接受的水分的流分配到所述孔中的机构，所述分配机构包括一个集流腔，该集流腔沿轴向的宽度大于所述入口部分的宽度。
16.根据权利要求15所述的汽轮机，其特征在于，在所述汽缸中形成的所述孔近似地从所述集流腔沿径向延伸。
17.根据权利要求16所述的汽轮机，其特征在于，所述集流腔形成一个表面，而且其中每个所述孔有一个在所述集流腔表面中形成的入口。
18.根据权利要求17所述的汽轮机，其特征在于，每个所述孔的直径大于所述槽的入口部分沿轴向的宽度。
19.根据权利要求15所述的汽轮机，其特征在于，所述集流腔的沿轴向的宽度至少是所述槽的入口部分沿轴向的宽度的两倍。
20.一种改良汽轮机的方法，该汽轮机具有(i)多排转动叶片，包括新的末排转动叶片，所述新的末排转动叶片有一个叶毂，所述叶毂的直径不同于所述汽轮机中早先使用的末排转动叶片的叶毂的直径，(ii)一个现有的气流导管，用于引导蒸汽流离开所述早先使用的末排转动叶片，所述现有的气流导管有一个匹配所述早先使用的末排转动叶片的叶毂直径的入口直径；该方法包括将一个新的气流导管焊接在所述现有气流导管上的步骤，所述新的气流导管有一个匹配所述新的末排转动叶片的叶毂直径的入口直径。
全文摘要
一种具有改进的静止部件的汽轮机,其中在末排转动叶片的紧上游的汽缸静止叶片环(10)中形成一个水分排除槽(16)。该槽有一个宽部减小的入口咽喉部分(23)和一个扩大的集流腔部分(11)。槽的集流腔部分将收集的水分分配到多个在叶片环中形成的径向排放孔(24)中。入口咽喉的作用是使集流腔与通过汽轮机流动的旋转蒸汽隔离,由此防止将水滴夹带入蒸汽流。该叶片环包围末排转动叶片的顶端(26),而该外气流导管(9)在叶片环上整体形成。
文档编号F01D25/32GK1182466SQ96193386
公开日1998年5月20日 申请日期1996年3月1日 优先权日1995年3月20日
发明者路易斯·格雷, 小约翰·C·格勒耐达尔 申请人:西屋电气公司