CN1186900A - 汽轮机喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种沿着叶片长度方向变化喷嘴动叶间的距离,保证轴线方向的最佳距离的汽轮机喷嘴。其喷嘴叶片11朝圆周方向弯曲,同时,在叶片长度方向的各高度位置上将断面相对于通过旋转中心的径向线E移动,朝轴线方向流体流出一侧弯曲而构成。通过喷嘴出口流出角在叶片长度方向上变化而使最佳轴线方向的距离产生变化,能够获得最佳值。

Description

汽轮机喷嘴

本发明涉及一种适合减少蒸汽轮机喷嘴动叶间产生的叶间损失，提高汽轮机内部效率的汽轮机喷嘴。

近年来，为了提高蒸汽轮机的性能，引进了各种各样的技术开发成果，从而成功地实现了高的效率。在有助于提高性能的技术中，最注目的是以提高内部效率为目的，这对于采用任何蒸汽轮机循环或者流体条件的均有效果，适用范围广成为最集中注目的问题。在蒸汽轮机内产生的损失中，2次流动损失是轴流汽轮机的很多级中都会产生的损失，对此解决对策的适合与否极大地左右着其内部效率。

然而，对降低由喷嘴流路内的2次流动涡流产生的2次流动损失的叶形、叶列缺乏深入的考察。近年来，随着可以正确把握3元流的计算机技术的进步，使得对叶形、叶列从3维的观点进行深入考察成为了可能。

例如，相对于通过蒸汽轮机旋转中心的径向线朝着圆周方向的流体流出一侧弯曲而构成喷嘴叶片。图5表示的是采用上述弯曲的喷嘴的轴流汽轮机级的一部分。这里，喷嘴叶片挟持在隔板外轮2和隔板内轮3之间。在该喷嘴叶片1中，将叶间流路的速度矢量在根部一侧向着隔板内轮3、在前端侧则向着隔板内轮2的方向作用，可以抑制隔板内轮3及隔板外轮2两者之间产生交界层。

另一方面，对于叶列性能，公知的是将喷嘴叶片1的后缘端和与之邻接的另一喷嘴叶片1的背面的最短距离S与环状节距T之比S/T(参照图6)在叶片长度方向上变化，来控制叶片长度方向上的流量分布，从而实现性能的提高。如图7所示，将喷嘴叶片1的根部及前端部的喉部(throat)宽S1、S3做得比喷嘴叶片1中处部的喉部宽S2要大，通过将该部分流过的流量变大(以下将该喷嘴叶片称为3元设计形1)，使邻近壁面的2次流的损失降低，而相反，如图8所示，不受叶片长度中央部附近的壁面影响的性能好的部分的槽宽S2大，在该部分上形成流通大量蒸汽的结构(以下称为3元设计形2)是公知的。将这种S/T分布沿着叶片的长度方向变化，通过控制3元蒸汽流，便能够提高叶列性能。

然而，左右蒸汽轮机内部效率的储多因素之一的喷嘴动叶间会产生叶间损失。这种叶间损失一般情况下由下面所述的非定常损失和混合损失之和表示。即，非定常损失是由图9所示的喷嘴后流的圆周方向的速度分布而产生的由尾流通过动叶(图中未示)而产生的损失，通过喷嘴出口处的速度成分的变化而向流体动叶的流入角度周期性的变化而带来的损失。尾流的深度与向着流动方向的距离的增加一起变小，随之非定常损失也减小。

另外，混合损失是向自由空间喷出的流体通过相互的干涉而带来的损失，它与非定常损失相反，随着朝流动方向的距离的增加，损失变大。因此，如图10所示的那样，作为非定常损失ξ1和混合损失ξ2的和的叶间损失ξ3在损失减小的前者和损失增加的后者的交汇点上有损失最小的最佳值。

下面参照图11进行说明，在将表示这种最佳值的流动方向的距离定为Lopt，喷嘴的绝对流出角度由α2表示时，叶片间的最佳轴线方向上的距离δa可以由下式表示。

δa＝Lopt×sinα2

另外，图中符号4表示动叶。

另一方面，在以往的3元设计叶片中，通过弯曲的喷嘴叶片1(参照图5)以及图12所示的叶片长度方向的S/T分布的变化而使喷嘴出口处的绝对流出角度分布如图3所示呈3元变化。这时，最佳轴线方向距离δa通过叶片长度方向上的变化由sinα2如图14所示变化。即，即使让叶片后缘端形状朝着圆周方向弯曲，喷嘴动叶间的距离至此不改变，从而不能将汽轮机的内部效率提高足够高。

这里，本发明的目的是提供一种沿着叶片长度方向变化喷嘴动叶间的距离，保证轴线方向的最佳距离的汽轮机喷嘴。

实现上述目的的第1发明是在带有挟持于环状隔板外轮及隔板内轮之间的多道喷嘴叶片的汽轮机喷嘴中，其特征是将各喷嘴叶片在叶片中央部分朝着圆周方向，并且朝着轴线方向向流体流出一侧弯曲而构成。

而第2发明是在带有挟持于环状隔板外轮及隔板内轮之间的多道喷嘴叶片的汽轮机喷嘴中，其特征是将一个喷嘴叶片的后缘端和与之相邻的另一个喷嘴叶片背面的最短距离S与环状节距T之比S/T的最小值处于叶片中央部分，并将各喷嘴叶片从叶片中央部分的轴线方向流体流出一侧弯曲而构成。

另外，第3发明是在带有挟持于环状隔板外轮及隔板内轮之间的多道喷嘴叶片的汽轮机喷嘴中，其特征是将一个喷嘴叶片后缘端和与之相邻的另一个喷嘴叶片背面的最短距离S与环状节距T之比S/T的最大值处于叶片中央部分，并将各喷嘴叶片从叶片中央部分的轴线方向流体流入一侧弯曲而构成。

最好是各喷嘴叶片由将连接喷嘴叶片根部后缘端和前端部的后缘端的连线相对于喷嘴叶片的径向线向流体流出一侧倾斜一定角度而构成。

图1是表示用本发明汽轮机喷嘴的蒸汽轮机级的模式图；

图2是表示本发明汽轮机喷嘴的模式图；

图3是表示本发明另一实施例的模式图；

图4是表示相对于喷嘴后缘端的倾斜角度的效率变化的图表；

图5是表示以往的圆周方向弯曲的喷嘴的立体图；

图6是以往喷嘴叶片的横向剖视图；

图7是表示以往3元设计的喷嘴的立体图；

图8是表示以往3元设计的另一种喷嘴的立体图；

图9是喷嘴尾流的说明图；

图10是表示喷嘴动叶间损失分布的图表；

图11是轴线方向距离的说明图；

图12是表示3元设计形喷嘴的S/T的分布图；

图13是表示3元设计形喷嘴的喷嘴出口流出角的分布图；

图14是最佳轴线方向距离的说明图。

图中，11、21是喷嘴叶片，12是隔板、外轮，13是隔板、内轮，15是动叶。

以下参照附图说明本发明的实施例。图1中，喷嘴叶片11挟持于隔板外轮12和隔板内轮13之间。该喷嘴叶片11呈环状配置多列，图中所示的是其一片。紧接着该喷嘴叶片11设置有从转盘14延伸出的动叶15，构成轴流汽轮机的级。动叶15也与喷嘴叶片一样配置成环状的列，图中所示的也是其中的一片。在动叶15的前端设置有连接各动叶的护罩16。

另外，该喷嘴叶片11将连接其根部后缘端与前端部后缘端的连线F相对于喷嘴叶片11的径向线E朝着流体流出一侧倾斜角度θ而配置。在本实施例中，喷嘴叶片11的倾斜角度θ在0～5°范围内。

图2中示出了改进的喷嘴叶片11。该喷嘴叶片11是相对于通过旋转叶片中心的径向线朝圆周方向流体流出一侧弯曲而构成。另外，在叶片长度方向的各最高位置上，让断面相对于通过旋转中心的径向线E移动，朝轴线方向流体流出一侧弯曲而构成。

在朝圆周方向弯曲而构成的喷嘴叶片11中，如前所述，喷嘴的出口流出角比以往的喷嘴叶片在根部一侧要大，在中央部则要小，在前端侧变大。通过该喷嘴出口流出角沿叶片长度方向的变化，使得由叶间的非定常损失和混合损失所确定的最佳轴线方向的距离沿着叶片长度方向发生变化。即，在中部最佳的轴线方向距离变小，反之，在根部及前端部变大。本实施例中，由于相对于通过旋转中心的径向线E而移动断面，朝着轴线方向流入流出侧弯曲，使得沿着叶片长度方向的喷嘴动叶间的距离La发生变化。由此，能够使轴线方向的距离成为最佳的值。从而可以使叶间损失更小，能够提高内部的效率。

另外，将径向线E与连接喷嘴叶片11根部的后缘端和前端部的后缘端的连线F之间的角度θ保持在0～5°范围内，例如，在喷嘴叶片11的弯曲形状由于与其它构成部件发生于涉等原因在难于保持在最佳值时，也能够将叶片间的轴间距离处于最佳值附近。

该角度θ根据叶片长度变化，叶片长度最长时限制在5°，图4中示出了改变角度θ时效率的推移。在叶片长度较长的长叶片H1，中间长度的中叶片H2以及比中叶片H2更短的短叶片H3中，依次带有效率在1.0之下的角度，在长叶片H1中该角度为5°。因此，可望将角度θ处于0～5°范围之内。

下面说明本发明的另一实施例。本实施例适用于以降低壁面附近2次流动损失为目的的控制叶片长度方向流量分布的喷嘴(3元设计形1)。另外，各喷嘴叶片构成为将喷嘴叶后缘端和与之邻接的喷嘴喷片背面的最短距离S与环状节距T之比S/T的最小值处于叶片中央部，在与图2的喷嘴叶片一样的叶片长度方向的各高度位置上，将断面相对于通过旋转中心的径向线E移动，在叶片中央部向轴线方向流体流出一侧产生弯曲。

在该喷嘴叶片中，由于S/T的最小值在叶片中央部，上面所述的喷嘴流出角在叶片中央部变小，而在根部及前端部变大。通过喷嘴出口流出角沿叶片长度方向的变化，使中央部的最佳轴线方向距离变小，反之，根部及前端部变大，通过向轴线方向流体流出一侧的弯曲，而沿着叶片长度方向变化喷嘴动叶间的距离。由此，能够将轴线方向上的距离保持在最佳值上。从而能够减少叶间损失，提高内部效率。

下面参照图3说明另一个实施例。本实施例适用于控制叶片长度方向的流量分布的喷嘴(3元设计形2)。喷嘴叶片21的构成是，由于将喷嘴叶片后缘端和与之邻接的喷嘴叶片背面的最短距离S与环状节距T之比S/T的最大值定位于叶片中央位置，因此与上述实施例相反，在叶片长度方向的各高度位置上，将断面相对于通过旋转中心的径向线E移动，在叶片中央部分沿着轴线方向的流体流入一侧弯曲。

在本实施例中，由于将S/T的最大值处于叶片中央部位，如上面所述的那样，与上述实施例相反，喷嘴流出角在叶片中央部位变大，在根部及前端部变小。这样，该喷嘴出口流出角通过沿叶片长度方向变化，在中央部位最佳轴线方向上的距离变大，反之在根部及前端部则最佳轴线方向上的距离变小，从而通过沿轴线方向流体流入一侧的弯曲而沿着轴线长度方向变化喷嘴动叶间的距离，能够将轴线方向上的距离保持在最佳值，并且能够减少叶间损失，可提高内部效率。

根据以上说明的第1发明，由于将各喷嘴叶片在中央部位的圆周方向并且向轴线方向流体流出侧弯曲，从而能够保持级中的最佳轴线方向距离，可减少叶间损失，提高汽轮机内部效率。

而根据第2发明，由于将各喷嘴叶片的后缘端和与之相邻接的喷嘴叶片的背面之间的最短距离S与环状节距T之比S/T的最小值处于叶片的中央部位，并将各喷嘴叶片在叶片中央部位向轴线方向流出一侧弯曲，从而能够确保级中的最佳轴线方向距离，可减少叶间损失，提高汽轮机的内部效率。

另外，根据第3发明，由于将喷嘴叶片的后缘端和与之相邻接的喷嘴叶片的背面之间的最短距离S与环状节距T之比S/T的最大值处于叶片的中央部位，并将各喷嘴叶片在叶片中央部位向轴线方向流入一侧弯曲，从而能够确保级中的最佳轴线方向距离，可减少叶间损失，提高汽轮机的内部效率。

Claims (4)

1、一种汽轮机喷嘴，带有挟持于环状隔板外轮及隔板内轮之间的多道喷嘴叶片，其特征是将所述各喷嘴叶片在叶片中央部分朝着圆周方向，并且朝着轴线方向向流体流出一侧弯曲而构成。

2、一种汽轮机喷嘴，带有挟持于环状隔板外轮及隔板内轮之间的多道喷嘴叶片，其特征是将所述一个喷嘴叶片的后缘端和与之相邻的另一个喷嘴叶片背面的最短距离S与环状节距T之比S/T的最小值处于叶片中央部分，并将各喷嘴叶片从叶片中央部分的轴线方向流体流出一侧弯曲而构成。

3、一种汽轮机喷嘴，带有挟持于环状隔板外轮及隔板内轮之间的多道喷嘴叶片，其特征是将所述一个喷嘴叶片后缘端和与之相邻的另一个喷嘴叶片背面的最短距离S与环状节距T之比S/T的最大值处于叶片中央部分，并将各喷嘴叶片从叶片中央部分的轴线方向流体流入一侧弯曲而构成。

4、如权利要求1或2所述的汽轮机喷嘴，其特征是所述各喷嘴叶片由将连接喷嘴叶片根部后缘端和前端部的后缘端的连线相对于喷嘴叶片的径向线向流体流出一侧倾斜一定角度而构成。

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