[發明專利]軸流式渦輪機

無效

• 申請號: 201210082554.1
• 申請日: 2006-03-31
• 公開（公告）號: CN102588004A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 野村大輔;川崎榮;小野田昭博;谷研太郎;川上宏
• 申請（專利權）人: 株式會社東芝
• 主分類號: F01D9/02
• 分類號: F01D9/02;F01D9/04
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 蔡勝利

本發明專利申請是2006年3月31日提交的名稱為“軸流式渦輪機”的發明專利申請No.200610071066.5的分案申請。

技術領域

本發明涉及一種軸流式渦輪機(axial?flow?turbine)，特別地講，該軸流式渦輪機能夠提高安置在流道中的渦輪級(即壓力級)中的渦輪噴嘴的葉片效率，所述流道在沿著渦輪軸(渦輪轉子)的軸向形成于渦輪殼體中并且具有逐漸擴展的直徑。

背景技術

最近，在發電廠等所用的電機中，汽輪機單元或系統包括由高壓渦輪機、中壓渦輪機和低壓渦輪機構成的多個渦輪級，以提高輸出。各個壓力級別的渦輪機使得從蒸汽源供應的蒸汽作膨脹功，以獲得旋轉動力。為了提高發電效率，重要的是要發現如何在各渦輪級中提高獲得旋轉動力所需的膨脹功。具體地講，同中壓和低壓渦輪機相比，高壓渦輪機預期承擔更多的負載，以提高用于提供膨脹功的蒸汽壓力。

由于供應給高壓渦輪機的功在整個汽輪中所占比例較大，因此提高高壓渦輪級的輸出可以顯著提高整個渦輪單元的輸出。

在通常采用的高壓渦輪機中，多個渦輪級被布置成一列，以使蒸汽沿渦輪軸的軸向流動而提供膨脹功。這種高壓渦輪機被稱作軸流式渦輪機。

渦輪級是通過沿渦輪軸的周向組合渦輪噴嘴葉柵以及與渦輪噴嘴葉柵對應的渦輪轉子葉片而形成的。

圖2中示出了在由渦輪噴嘴和渦輪轉子葉片形成的渦輪機中的一種普遍采用的軸流式渦輪機的噴嘴葉柵。參看圖2，多個噴嘴葉片10沿渦輪軸(未示出)的周向被支撐就位于內(隔膜)環11與外(隔膜)環12之間。在高壓渦輪機中，在葉片高度相對較小的情況下，二次流損失是渦輪機內部效率降低的一個主要原因。在圖2所示的渦輪機的環形流道中，由流體動力學負載15產生了二次流旋渦16，從而引起流體在噴嘴葉片10的徑向內側壁面13和徑向外側壁面14附近從處于高壓片表面壓力的前側流向處于低壓的后側。二次流損失被認為是由二次流旋渦16引起的。圖3中顯示了沿噴嘴葉片10的高度方向的能量損失分布，其中大的能量損失通常分別分布在徑向內外側壁面13和14附近。此外，盡管葉片高度增加但相應區域的高度方向范圍幾乎沒有變化，因此隨著葉片高度增加，因二次流損失導致的效率下降是減小的。

具有向著外側彎曲的噴嘴葉片10的渦輪噴嘴(以下稱作彎曲噴嘴)被廣泛用于降低二次流損失的目的。

圖4中示出了一種廣泛采用的彎曲噴嘴的結構。表示彎曲結構的參考值之一是葉片高度方向上的彎曲范圍。此外，有多種方法用于表示彎曲范圍，包括一種典型方法，其中葉片高度中心的曲率被設置為最大值，以使得噴嘴葉片在葉片高度的整個范圍內完全彎曲，并且隨著葉片高度增加，以類似的方式擴展。在這種情況下，隨著葉片高度的變化，彎曲范圍的絕對值改變。

同時，使用彎曲噴嘴可能導致一項負面作用，即在高度中心噴嘴葉片性能(效率)降低，從而會抵消因降低二次流損失所實現的性能提高。在這種情況下，彎曲結構用于將流體推壓在內外環11和12的徑向內外側壁面13和14上，以抑制二次流損失。另一方面，在被認為不會受到二次流影響并且因此而會呈現出優異性能的噴嘴葉片高度方向中心附近，流體以降低的流速流動。

圖5中示出了彎曲噴嘴以及沒有彎曲的常規噴嘴的損失分布。

在葉片高度處于低級別的情況下，二次流的作用可被抑制。噴嘴葉片的性能預期可以在整個高度上提高。然而，在通常構造的噴嘴葉片中，隨著葉片高度增加，彎曲范圍增大，在噴嘴葉片高度中心處因流體流速降低而帶來的負面作用會進一步惡化。這會影響到彎曲葉片的整體性能的提高。

日本特表2002-517666號公報中提出了一種解決上述問題的方法，該方法在內外環11和12的徑向內外側壁面13和14附近的極限區域內相對于由相鄰渦輪噴嘴限定的流道的橫截面構造而形成彎曲噴嘴。

在上述公開的方法中，噴嘴葉片高度中心沒有彎曲區域，從而同噴嘴葉片在整個高度上彎曲的情況相比，預期可以抑制因噴嘴葉片高度中心附近流速降低而引起的性能下降。在所公開的方法中，彎曲范圍定義為與葉片高度成比例。彎曲范圍可以隨著葉片高度增加而增大，因此，由于葉片高度中心處的流速降低而導致性能的提高受到影響。

相反地，在葉片高度處于低級別的情況下，彎曲范圍降低。然而，由于不論葉片高度如何，二次流區域均位于幾乎恒定的范圍內，因此，會因彎曲范圍不足而導致二次流的抑制不充分。

如前所述，由渦輪噴嘴的葉根部和葉端部附近的二次流旋渦引起的損失被認為是導致具有相對較小葉片高度的高壓渦輪機內部效率減小的主要原因。