[发明专利]轴流式涡轮机

说明书

技术领域

本发明涉及一种轴流式涡轮机。本发明的实施例尤其涉及一种轴流式蒸汽涡轮机，作为该蒸汽涡轮机的最后的低压涡轮级内的翼型叶片的改进设计的结果，该轴流式蒸汽涡轮机具有提高的效率。

背景技术

用于发电的蒸汽涡轮机通常包括沿着轴向流动顺序布置的高压涡轮段、可选的中压涡轮段以及低压涡轮段，每个涡轮段具有一系列的涡轮级。随着蒸汽通过每个涡轮段中的涡轮级被膨胀，蒸汽的压力和温度降低，且在通过低压涡轮段的末级膨胀之后，蒸汽通过涡轮机排放系统被排放。

尤其在大的发电装置中，蒸汽涡轮机的效率非常重要，在大的发电装置中，效率的少许增加可导致用于产生电功率所需的燃料的量显著减少。这会导致极大地节省成本且显著降低CO₂的排放，从而相应地减少SO_x和NO_x。因此，由于翼型叶片设计对涡轮机的效率具有重要影响，所以相当量的金钱和努力持续地花费在对翼型叶片设计的研究上。

最后的低压涡轮级和涡轮机排放系统两者均对蒸汽涡轮机的性能具有重要影响，因此，最后的低压涡轮级和涡轮机排放系统两者均对蒸汽涡轮机的总效率具有重要影响。在传统的蒸汽涡轮机的最后的低压涡轮级中采用的翼型叶片设计倾向于产生大量的剩余能量和不均匀停滞压力分布，大量的剩余能量以及不均匀停滞压力分布两者均不利于涡轮机排放系统和最后的低压涡轮级的总体性能。

因此，如果最后的低压涡轮级可将最少量的剩余能量传输到涡轮机排放系统，并且在涡轮机排放系统的入口处产生更接近理想压力分布的停滞压力分布，则这将是期望的，实际上该理想压力分布在最后的低压涡轮级中的翼型叶片的高度方向上不变并且朝着尖端区域稍微增加。

已经使用在毂区域和尖端区域之间具有增加的径向高度的翼型叶片，以试图减少最后的低压涡轮级的剩余能量并因此增加最后的低压涡轮级的效率。然而，这可导致这样的涡轮机排放系统，在该涡轮机排放系统中，排放系统的轴向长度(L)与最后的低压涡轮级的旋转翼型叶片的高度(H)之比(即，L/H)极大地减小。出于多种原因，特别是由于蒸汽涡轮机的紧凑性的任何降低可显著增加其占地区域并因此增加其安装成本，所以通常不期望增加涡轮机排放系统的轴向长度(L)。

定义

以下定义将在整个说明书中使用。

翼型叶片，无论是静止翼型叶片还是旋转翼型叶片，沿径向最内的末端将被称为翼型叶片的“毂区域”(通常也被认为是根部)，而翼型叶片，无论是静止翼型叶片还是旋转翼型叶片，沿径向最外的末端将被称为翼型叶片的“尖端区域”。

翼型叶片的“压力表面”是其凹入侧，翼型叶片的“吸入表面”是其凸出侧。

翼型叶片的叶片出口角(α)是相对于转子的周向的角度，该角度使工作流体离开圆周叶片列(circumferential blade row)且从以下关系式获得：-

α＝sin^-1K

其中：-

K＝喉部尺寸(t)/间距尺寸(p)

喉部尺寸(t)被定义为从一个翼型叶片的后缘法线延伸到位于相同列的相邻的翼型叶片的吸入表面的最短线路，而间距尺寸(p)是在距翼型叶片的毂区域特定的径向距离处从一个翼型叶片的后缘到位于相同列的相邻的翼型叶片的后缘的圆周距离。

表达式AN²表示由位于低压涡轮段的出口处的最后的低压涡轮级的旋转翼型叶片扫过的环形面积(A)乘以旋转翼型叶片的旋转速度(N)的平方的结果。环形面积(A)被定义为由旋转翼型叶片的内径和外径描绘的圆的面积之差。

翼型叶片的“轴向宽度”(W)是翼型叶片的前缘和后缘之间的轴向距离(即，在翼型叶片的前缘和后缘之间沿着涡轮机的旋转轴测量的距离)。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种轴流式涡轮机，该轴流式涡轮机沿着轴向流动顺序包括低压涡轮段和涡轮机排放系统，低压涡轮段包括最后的低压涡轮级，最后的低压涡轮级包括沿圆周列状布置(circumferential row)的静止翼型叶片，所述静止翼型叶片由沿圆周列状布置的旋转翼型叶片轴向连续跟随，每个翼型叶片具有径向内部毂区域以及径向外部尖端区域，其中，每个静止翼型叶片的等于喉部尺寸(t)与间距尺寸(p)之比的K值沿着静止翼型叶片的在毂区域和尖端区域之间的高度根据大致呈W形的分布变化。

轴流式涡轮机可以是蒸汽涡轮机。