蒸汽轮机及用于将长动叶栅保持在其中的中间支撑结构.pdf

用于蒸汽轮机的动叶栅，具有沿径向延伸的动叶片(1)，其围绕汽轮机转子(9)布置，并且固定到其上。所述动叶栅还具有用于将所述动叶片在径向中间位置彼此固定的中间支撑结构(4，6，7)。所述支撑结构具有流线型横截面的形状。所述支撑结构可包括固定到所述叶片的捆绑丝(4)或从所述叶片突出并且彼此结合的凸耳(6)。所述支撑结构可包括从所述叶片彼此相对突出的凸耳(6)和将所述凸耳结合的套管(7)。所述流线型横截面形状可具有钝角或锐角上游部分。

1.  一种用于蒸汽轮机的动叶栅，所述动叶栅包括：
多个动叶片，沿径向延伸，围绕汽轮机转子外周布置，并且固定到汽轮机转子；和
中间支撑结构，用于在径向中间位置处将所述叶片彼此固定，其特征在于，
所述中间支撑结构具有流线型横截面的形状。

2.  根据权利要求1所述的动叶栅，其特征在于，所述中间支撑结构包括固定到所述叶片的捆绑丝。

3.  根据权利要求1所述的动叶栅，其特征在于，所述中间支撑结构包括从所述叶片彼此相对突出并且彼此结合的凸耳。

4.  根据权利要求1所述的动叶栅，其特征在于，所述中间支撑结构包括：从所述叶片彼此相对突出的凸耳、和将所述凸耳彼此结合的套管。

5.  根据权利要求4所述的动叶栅，其特征在于，所述凸耳具有流线型横截面的形状。

6.  根据权利要求4或5所述的动叶栅，其特征在于，所述套管具有流线型横截面的形状。

7.  根据权利要求1到6任一所述的动叶栅，其特征在于，所述流线型横截面的形状具有钝角上游部分。

8.  根据权利要求1到6任一所述的动叶栅，其特征在于，所述流线型横截面的形状具有锐角上游部分。

9.  根据权利要求1到8任一所述的动叶栅，其特征在于，满足L/Tmax≥1.23的公式，其中L为所述中间支撑结构的轴向长度，Tmax为其最大厚度。

10.  一种蒸汽轮机，包括至少一个根据权利要求1到9任一所述的动叶栅。

蒸汽轮机及用于将长动叶栅保持在其中的中间支撑结构
技术领域
本发明涉及用于固定蒸汽轮机中的长动叶栅的中间支撑结构。更具体地，本发明涉及用于固定蒸汽轮机低压级中的长动叶栅的中间支撑结构，并且涉及蒸汽轮机。
背景技术
在典型的蒸汽轮机中，动叶栅布置在汽轮机转子外圆周表面周围，并且安置在汽轮机转子的外圆周表面上。静叶栅固定到汽轮机壳体。动叶栅和静叶栅沿汽轮机转子轴向交替布置。一个动叶栅和一个静叶栅(称为“喷嘴”)形成叶栅对，即已知的“级”。所述级沿轴向布置，构成汽轮机。当流体流经每一级的叶片之间的间隙时，蒸汽轮机转子旋转。
因而，蒸汽轮机的动叶片将蒸汽能量转换为机械旋转力，所述机械旋转力被传送到汽轮机转子。处于高温和高压下的蒸汽逐渐膨胀，流经每一级包括动叶片和喷嘴的各级，并且向每一个动叶片施加旋转力。
动叶片安置到汽轮机转子上，并且汽轮机转子以高速旋转。大的离心力和旋转振动不可避免地施加到特别是用于蒸汽轮机低压级中的长动叶片上。另外，由于其显著影响整个汽轮机的效率、汽轮机的输出功率和包括汽轮机的设备的尺寸，因此长动叶栅为非常重要的部件。因此，在蒸汽轮机设计过程中确保长动叶栅具有适当强度很重要。
为了增强长动叶栅，使其足够强来抵抗上述大的离心力和旋转振动，目前已经使用了例如捆绑丝(tie wire)或凸耳(lug)等的中间支撑部件，以将动叶片沿外周方向彼此结合。由此增强动叶栅(参见日本专利申请特开公开号Nos.06-248902和06-010613)。
如图1和2中所示，增强动叶栅强度的传统的中间支撑部件为凸耳3(图2)或凸耳和套管，或捆绑丝(未显示)。中间支撑部件具有圆形或椭圆形横截面。制成这样的形状，中间支撑部件显著地阻挡了经过任两个相邻动叶片1之间间隙的主蒸汽流。因此，如图3和4中所示导致主蒸汽流分离，不可避免地造成流体损失。
发明内容
已经提出本发明来解决上面指出的问题。本发明的目的是提供一种蒸汽轮机，其中，中间支撑结构将动叶片彼此结合，防止主蒸汽流分离，由此减小流体损失，同时保持动叶栅具有大的强度。
根据本发明的一方面，提供一种用于蒸汽轮机的动叶栅，所述动叶栅包括：多个动叶片(1)，沿径向延伸，围绕汽轮机转子外周布置，并且固定到汽轮机转子上；和中间支撑结构(4，6，7)，用于在径向中间位置处将所述叶片彼此固定，其特征在于，所述中间支撑结构具有流线型横截面的形状。
根据本发明的另一方面，提供一种包括至少一个上述动叶栅的蒸汽轮机。
附图说明
本发明的上述和其他特征和优点将从下面其结合附图示出的具体的示例性实施例变得显而易见，附图中：
图1是显示了具有传统凸耳的传统长动叶片的图示；
图2是沿图1中II-II线的剖视图，显示了具有传统凸耳的动叶片；
图3是示出当蒸汽经过传统凸耳时其怎样流动的示意图：
图4是沿图3中IV-IV线的剖视图，图示出当蒸汽经过传统凸耳时其怎样流动；
图5是显示了根据本发明第一实施例的一个长动叶片的图示；
图6是沿图5中VI-VI线的剖视图，显示了具有第一实施例的凸耳的动叶片；
图7是凸耳的沿图6中VII-VII线的剖视图；
图8是示出蒸汽经过根据本发明第一实施例的凸耳时其怎样流动的示意图；
图9是沿图8中IX-IX线的剖视图，图示出蒸汽经过根据本发明第一实施例的凸耳时其怎样流动；
图10是显示了不使用凸耳时、使用传统凸耳时和使用根据本发明第一实施例的凸耳时观察到的压力损失的曲线；
图11是显示了压力损失怎样随凸耳长度变化的曲线；
图12是显示了第一实施例中每一个凸耳的固定方式的概念图；
图13是显示了本发明第一实施例的另一个示例中使用的捆绑丝之一的图示；
图14是显示了本发明第二实施例中使用的一个“凸耳套管”结构的图示；
图15是根据本发明第三实施例的锐角流线型凸耳的剖视图；
图16是根据本发明第三实施例的另一个示例的钝角流线型凸耳的剖视图。
具体实施方式
下面将参照附图描述根据本发明的用于固定蒸汽轮机中长动叶栅的中间支撑结构的实施例。
(第一实施例)
本发明的第一实施例将参照图5到7进行描述。与上面描述的背景技术的那些等同或类似的部件在这里由相同的附图标记标示。
在第一实施例中，蒸汽轮机低压级中使用的长动叶片1每一个具有安置部分2。安置部分2嵌入汽轮机转子9中(图12)。因而，长动叶片1被附接到汽轮机转子9。每一个长动叶片1沿径向伸长。长动叶片围绕汽轮机转子9外周布置，并且固定到汽轮机转子9。
具有流线型横截面的凸耳6形成在沿每一个动叶片1的径向中部。凸耳6从动叶片1的表面突出。彼此相邻的动叶片的凸耳6彼此相对突出，并且通过例如焊接彼此结合。凸耳6为增强动叶片1的中间支撑部件，使叶片1足够强来抵抗汽轮机转子9旋转时叶片1可能受到的离心力和振动。因而，多个动叶片结合在一起，形成成排布置的一组或多组动叶片。
下面将通过与传统凸耳相比较来说明具有流线型横截面的凸耳6的流动引导特性。
图3是示出蒸汽经过具有基本上圆形横截面的传统凸耳3时其怎样流动的示意图。图4是显示了经过位于动叶片1下游端10之间的凸耳3之后蒸汽怎样流动的示意图。由于凸耳3，即中间支撑部件，具有基本上圆形的横截面，因此导致主蒸汽流分离。结果，其中空气动力损失大的一对分离涡流区11形成在凸耳3的后面，并且低损失区12相当小。
图8是示出蒸汽经过根据本发明第一实施例的具有流线型横截面的凸耳6时其怎样流动的示意图。图9是显示了经过该凸耳6后蒸汽怎样流动的示意图。由于凸耳6，即中间支撑部件，具有流线型横截面，因此主蒸汽流20不会在凸耳6外圆周表面引起分离流动。结果，其中空气动力损失小的一对尾流13在凸耳6的后面产生。因此，宽的低损失区12在由凸耳6结合的两个叶片之间形成。
图10是显示了不使用凸耳时(点线30)、使用传统凸耳3时(虚线31)和使用根据本发明的凸耳6时(实线32)观察到的空气动力损失曲线。图10中，纵横比，即叶片高度对叶弦长度的比率，作为无量纲的量绘制在横坐标轴上。而且，叶栅损失比，即在使用凸耳的叶栅处的损失对在不使用凸耳的叶栅处的损失的比率，作为无量纲的量绘制在纵坐标轴上。在不使用凸耳的任何叶栅处的损失总是一(1.0)，而与纵横比无关。在纵横比小的区域中，由于空气动力损失大，并且在间距中占主导地位，因此叶栅损失大。间距中的总叶栅损失实际上倾向于随着纵横比的增加逐渐减小。但是，由于凸耳造成的空气动力损失仍保持较大。用于汽轮机中的长动叶片可优选具有4或更大的纵横比。其可因此由中间支撑部件增强。如果根据本发明第一实施例的具有流线型横截面的凸耳6代替传统的凸耳3，则其可显著减小空气动力损失。
图11是显示叶栅损失怎样随L/Tmax变化的曲线，其中L是具有流线型横截面的凸耳6的总长度，Tmax是图7中显示的凸耳6的最大厚度。由于流体损失的容限值为80％或更小，因此L/Tmax最好可以是1.23或更大。考虑到凸耳所需强度，L/Tmax的上限应优选为3.5。
下面将参照图12说明凸耳固定所采用的角度θ。该角度θ可以是任意值，只要凸耳6延伸的方向(即翼弦方向)以落在壳体8倾斜角范围内的角度关于汽轮机转子9的轴线方向倾斜即可。如图12所示，每一个流线型凸耳6可倾斜，平行于关于叶片1高度方向倾斜的实际主蒸汽流。这将不仅防止可能从凸耳6表面分离开的主蒸汽流分离，而且将减小形成的尾流宽度。结果，尾流中的速度损失区可变窄，将叶栅处的空气动力损失减小得甚至更低。
在如上所述构造的第一实施例中，由于结合两个相邻叶片1的凸耳6具有流线型横截面，因此经过每一个凸耳6的主蒸汽流不会分离。因此在流线型凸耳6的后面的尾流中没有形成大的涡流。因而，尾流中的速度损失区较小，减小流体损失。本实施例可因此提供一种具有牢固动叶栅的蒸汽轮机，其中，动叶栅不振动。
在上述实施例中，流线型凸耳6用作中间支撑部件。流线型凸耳6可由图13中所示的流线型捆绑丝4代替。捆绑丝4穿过动叶片1，并且在焊接点25处焊接到动叶片1。在该例子中，当然也可获得上面描述的优点。
(第二实施例)
下面将参照图14描述本发明的第二实施例。与第一实施例等同或类似的部件由相同的参考数字标示，并且在这里将不再描述。
在第二实施例中，流线型凸耳6不是如第一实施例中直接彼此结合。代替的是，两个相邻动叶片1的凸耳3通过例如流线型套管7的中间部件彼此结合。从两个关联叶片1分别突出的两个凸耳3和一个流线型套管7构成“凸耳套管”装置。由于每一个凸耳套管装置的套管7具有流线型横截面，因此在第二实施例中可显著减小流体损失。如果凸耳3具有如第一实施例中使用的凸耳6的流线型横截面，则流体损失可进一步减小。
这样构造的第二实施例可获得与第一实施例相同的优点。而且，由于其为凸耳套管装置，因此中间支撑部件可比第一实施例更容易附接。而且，显著影响流体损失的部件形状制成流线型，这有助于降低汽轮机的制造成本，同时成功地减小空气动力损失。
(第三实施例)
下面将参照图15和16描述本发明的第三实施例。与第一和第二实施例的那些等同或类似的部件由相同的参考数字标示，并且在这里将不再描述。
在第三实施例中，每一个中间支撑部件的流线型横截面根据主蒸汽流20的倾斜角改变形状。
主蒸汽流到达蒸汽轮机的每一个动叶片所成的角度主要取决于设备输出功率的变化。在总是以其额定条件(即处于100％负载)驱动的蒸汽轮机中，上游主蒸汽流20的倾斜角相对恒定，仅有很小的变化。但是在安装在负载经常调整的设备中的任何蒸汽轮机中，上游主蒸汽流20的倾角明显改变。
在安装在其输出功率变化不大的设备中的蒸汽轮机中，可使用图15中所示类型的锐角流线型凸耳6a作为中间支撑部件。于是，主蒸汽轮很少可能分离，由此可减小流体损失。
通过对照，在安装在其输出功率变化大的设备中的蒸汽轮机中，主蒸汽流的倾斜角度可大于附接中间支撑部件所采用的角度。在该例子中，如果中间支撑部件为锐角流线型凸耳，则其将增加流体损失。因此，在安装在其负载经常调整的设备中的蒸汽轮机中，可优选使用图16中所示类型的钝角流线型凸耳6b。于是，主蒸汽流很少可能分离，由此可减小流体损失。
术语“钝角流线型凸耳”意思是接收主蒸汽流的头部(或者最上游部)具有基本上圆形横截面、尾部为流线型并且平滑延伸到头部的凸耳。凸耳的头部可具有椭圆形横截面，而不是圆形横截面。如果其横截面为圆形，则该横截面具有等于凸耳最大厚度Tmax的直径。如果其横截面为椭圆形，则短轴或长轴为最大厚度Tmax。
在这样构造的第三实施例中，如果主蒸汽流20方向稳定，则使用具有锐角流线型横截面的中间支撑部件，防止主蒸汽流流动分离，并且最终将流体损失保持在较小值。如果主蒸汽流20方向显著改变，则使用具有钝角流线型横截面的中间支撑部件，减小流动分离区域尺寸，并且最终将流体损失保持在较小值。
(其他实施例)
上面说明的实施例仅为示例，并且本发明不限制到所述实施例。因此，应理解，在所附权利要求的范围内，本发明可以与本文具体描述的不同的其他方式实现。