用于軸流式渦輪的冷卻系統(tǒng)及方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種用于軸流式渦輪的冷卻系統(tǒng)及方法。描述了一種軸流式渦輪，其具有：外殼，其限定用于其中的工作流體的流動(dòng)通路；轉(zhuǎn)子，其與外殼同軸；多個(gè)級(jí)，每個(gè)級(jí)包括沿周向安裝在外殼上的靜止的成排導(dǎo)葉、沿周向安裝在轉(zhuǎn)子上的旋轉(zhuǎn)的成排葉片，其中，暴露于工作流體的外殼的內(nèi)面包括深度增大的一個(gè)或多個(gè)基本周向的溝槽，每個(gè)溝槽終止于具有開(kāi)孔的抽取端口中。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于軸流式渦輪的冷卻系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明大體上涉及一種用于冷卻軸流式(axial flow)渦輪(特別是低壓蒸汽渦輪)的系統(tǒng)。更具體而言，本發(fā)明涉及一種用于冷卻低壓蒸汽渦輪中的末級(jí)葉片的系統(tǒng)，具體是在此類(lèi)末級(jí)葉片由復(fù)合材料制成的情況下。
【背景技術(shù)】
[0002]低壓蒸汽渦輪的旋轉(zhuǎn)葉片在轉(zhuǎn)子中引起極大的離心力。這可為在設(shè)計(jì)用于最高效率的渦輪時(shí)的限制因素。解決方案為使用低密度葉片材料，因?yàn)榇祟?lèi)葉片會(huì)施加較小的力到轉(zhuǎn)子中。然而，這種解決方案僅可應(yīng)用在低密度材料具有適合的機(jī)械性能的情況下。盡管目前認(rèn)為使用鈦是一種選擇方法，但其他備選方案可具有甚至更好的強(qiáng)度與重量比。在可能的備選方案中有復(fù)合材料的葉片，其實(shí)例公開(kāi)在公布的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)US 2008/0152506Al和公布的國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)WO 2011/039075 Al和WO 2010/066648和瑞士專(zhuān)利第CH 547943號(hào)中。
[0003]復(fù)合材料通常具有小于金屬的耐熱性。這特別是在低容積流操作和全速條件期間可為問(wèn)題。在此類(lèi)條件下，由穿過(guò)渦輪的容積流攜帶的熱不足，且特別是末級(jí)葉片變得易受到葉片末梢區(qū)域的風(fēng)阻加熱的影響。正常葉片溫度通常不超過(guò)65°C。然而，在沒(méi)有修正裝置的風(fēng)阻條件下，末級(jí)葉片末梢溫度可超過(guò)250°C。在此溫度處，復(fù)合材料的機(jī)械性質(zhì)受到顯著的影響，且它們可遭受永久退化。
[0004]由專(zhuān)利申請(qǐng)第US2007/292265 Al號(hào)提供了風(fēng)阻加熱的解決方案。該解決方案包括將冷卻介質(zhì)噴射到末級(jí)末梢區(qū)域附近。包括蒸汽或水的介質(zhì)可從外殼噴射到葉片末梢的前方或后方。作為備選方案或此外，用于抽取穿過(guò)外側(cè)壁的流的小抽取溝槽可設(shè)在葉片正前方的葉片末梢附近。
[0005]鑒于現(xiàn)有技術(shù)，被看作本發(fā)明的目的的是提供冷卻渦輪葉片(具體是復(fù)合材料的末級(jí)葉片)的末梢的更有效的裝置和方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種軸流式渦輪，其具有:外殼，其限定用于其中的工作流體的流動(dòng)通路；轉(zhuǎn)子，其與外殼同軸；多個(gè)級(jí)，每個(gè)級(jí)包括沿周向安裝在外殼上的靜止的成排導(dǎo)葉、沿周向安裝在轉(zhuǎn)子上的旋轉(zhuǎn)的成排葉片，其中，暴露于工作流體的外殼的內(nèi)面具有深度增大的一個(gè)或多個(gè)基本周向的溝槽，每個(gè)溝槽終止于具有開(kāi)孔的抽取端口中。
[0007]溝槽通常沿著圍繞外殼的內(nèi)面的周向線(xiàn)。然而，溝槽也可偏離周向線(xiàn)優(yōu)選僅達(dá)到10度。如果偏離，則溝槽優(yōu)選地沿穿過(guò)渦輪的總體流動(dòng)方向偏離。
[0008]本發(fā)明中的外殼的內(nèi)面可為安裝在外殼的實(shí)際內(nèi)面上的任何部分(如，隔板、導(dǎo)葉持環(huán)、熱護(hù)罩等)的內(nèi)面。溝槽被加工在暴露于工作流體流的部分的面中。
[0009]優(yōu)選地，溝槽的深度始于零深度。深度最佳的是平穩(wěn)地增大，以避免形成渦流或?qū)ぷ髁黧w的平穩(wěn)抽取的其他障礙。[0010]抽取端口的開(kāi)孔優(yōu)選定向成與溝槽相切，以在渦輪中的低容積流條件下利用蒸汽的流動(dòng)方向。
[0011]在本發(fā)明的優(yōu)選變型中，沿基本相同的圓周，在沿直徑相對(duì)的位置存在兩個(gè)溝槽。為了便于制造，最佳的是將一個(gè)或多個(gè)溝槽設(shè)計(jì)成使得它們終止于外殼的接頭線(xiàn)處，并且抽取端口的開(kāi)孔在接頭線(xiàn)的相反側(cè)處。以此方式，開(kāi)孔可通過(guò)鉆穿接頭的面來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0012]與抽取端口結(jié)合的一個(gè)或多個(gè)溝槽最佳的是適于從葉片的末梢附近的容積移除工作流體，用于冷卻旋轉(zhuǎn)葉片、特別是復(fù)合材料的葉片的末梢的目的，對(duì)于復(fù)合材料的葉片，加熱是比對(duì)于金屬葉片更嚴(yán)重的問(wèn)題。因此，溝槽的優(yōu)選位置位于渦輪的末級(jí)的導(dǎo)葉與葉片之間。
[0013]本發(fā)明的以上方面和其他方面將從如下文所列的以下詳細(xì)描述和附圖中清楚。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]現(xiàn)在將參照附圖來(lái)描述本發(fā)明的示范實(shí)施例，在附圖中:
圖1為渦輪的示意性軸向截面；
圖2A示出圖1的渦輪的末級(jí)的放大視圖；
圖2B為沿圖2A的A-A’線(xiàn)的周向截面；
圖2C和圖2D分別為沿圖2B的B-B’和C-C’線(xiàn)的軸向截面；并且 圖3A和圖3B分別示出處于全容積流和低容積流下的穿過(guò)渦輪的流。
[0015]參考標(biāo)記和數(shù)字清單 10渦輪
11外殼 12導(dǎo)葉 13葉片 14轉(zhuǎn)子 131末梢區(qū)域 111溝槽 112抽取孔 d最終深度 113閥 31容積。
【具體實(shí)施方式】
[0016]在以下描述中更為詳細(xì)地描述了本發(fā)明的實(shí)例的方面和細(xì)節(jié)。將參照附圖來(lái)描述本發(fā)明的示范實(shí)施例，其中相似的參考數(shù)字全部用于表示相似的元件。在以下描述中，為了闡釋的目的，提出了許多特定細(xì)節(jié)以提供本發(fā)明的徹底理解。然而，本發(fā)明可在沒(méi)有這些特定細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施，且不限于本文中所公開(kāi)的示范實(shí)施例。
[0017]圖1示出示范多級(jí)軸流式渦輪10。渦輪10包括外殼11，外殼11包圍沿周向安裝于其上的靜止導(dǎo)葉12，以及沿周向安裝于轉(zhuǎn)子14上的旋轉(zhuǎn)葉片13，其中轉(zhuǎn)子放置在軸承(未示出)中。外殼11、導(dǎo)葉12和葉片13限定用于其中的工作流體(諸如蒸汽)的流動(dòng)通路。每個(gè)葉片13具有從轉(zhuǎn)子14到末梢區(qū)域131延伸到流動(dòng)通路中的翼型件，其中，末梢區(qū)域131限定為葉片13的翼型件部分的頂部的三分之一。葉片13可由金屬(包括金屬合金)、復(fù)合物(包括層狀復(fù)合物，其包括由樹(shù)脂接合的層狀碳纖維)或金屬和復(fù)合物二者的混合物制成。渦輪10的多級(jí)限定為成對(duì)的靜止導(dǎo)葉和移動(dòng)葉片排，其中，渦輪10的末級(jí)朝渦輪10的下游端定位，渦輪10的下游端由穿過(guò)渦輪10的正常流動(dòng)方向(如由箭頭指出)限定。渦輪10可為蒸汽渦輪，且具體是低壓(LP)蒸汽渦輪。作為L(zhǎng)P渦輪，其后面通常接著冷凝器單元(未示出)，蒸汽在冷凝器中冷凝。
[0018]具有末排導(dǎo)葉12和葉片13的渦輪10的末級(jí)在后面的圖中放大地示出。圖2B示出沿圖2A中的A-A’線(xiàn)的渦輪的部分的截面。在末級(jí)葉片13之前，一對(duì)淺溝槽111被加工在外殼11的內(nèi)面中(或?qū)~持環(huán)(vane carrier)的內(nèi)面中，如果導(dǎo)葉未直接地安裝到外殼上)。每個(gè)溝槽111的深度沿葉片13的旋轉(zhuǎn)方向從零逐漸增大，在大約二分之一轉(zhuǎn)之后增大至最終深度d。在最終深度d處，溝槽進(jìn)入抽取孔或通道112中。
[0019]抽取孔112與溝槽111相切，使得通道的開(kāi)口基本上垂直于溝槽。抽取孔將蒸汽釋放到水冷混合室中或直接地釋放到冷凝器中。
[0020]抽取孔或通道112可使用閥113或其他適合的裝置關(guān)閉。在正常操作中，抽取通道閉合，且僅在需要抽取時(shí)開(kāi)啟，即，在低流動(dòng)容積下，或在葉片的溫度升高超過(guò)它們的操作極限時(shí)開(kāi)啟。
[0021]在示出沿圖2B的B-B ’線(xiàn)的截面的圖2C中，溝槽111達(dá)到接近其最終深度d的一半。在示出沿圖2B的C-C’線(xiàn)的截面的圖2D中，溝槽111示為在進(jìn)入抽取孔或通道112的點(diǎn)處。
[0022]溝槽111和抽取孔112定向成使得具有由渦輪的旋轉(zhuǎn)引起的周向速度分量的熱流從接近末級(jí)葉片13的末梢的容積轉(zhuǎn)移，且由溝槽引導(dǎo)到切向抽取孔中。
[0023]溝槽111和抽取孔112優(yōu)選為位于成排的導(dǎo)葉12與葉片13的軸向位置之間，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)熱流的容積在該容積中循環(huán)。溝槽和抽取孔112的寬度為設(shè)計(jì)參數(shù)，且在極端情況下占據(jù)葉片與導(dǎo)葉之間的外殼的內(nèi)表面的大部分，但對(duì)于現(xiàn)今實(shí)際使用的典型渦輪可能小得多。
[0024]如圖3A和圖3B的比較所示，穿過(guò)渦輪的流可在質(zhì)量流容積從其操作水平下降至較低水平(諸如小于正常質(zhì)量流的百分之五十，或甚至小于正常質(zhì)量流的百分之三十)時(shí)顯著地變化。發(fā)現(xiàn)在此類(lèi)低容積操作下，通常針對(duì)操作質(zhì)量流水平優(yōu)化的穿過(guò)渦輪的流改為離開(kāi)凹穴，在該處流僅具有較小的軸向分量。
[0025]如圖3A所示，渦輪具有在正常流動(dòng)容積下的流線(xiàn)指出的平穩(wěn)流場(chǎng)。流具有朝渦輪的出口方向的主要軸向速度分量。當(dāng)穿過(guò)渦輪的流容積減小時(shí)(如是在啟動(dòng)、耗盡(run-out)、負(fù)載改變或緊急情形期間的情況)，流型改變成如圖3B所示的更復(fù)雜的圖像。
[0026]在減少的流條件下，存在具有小軸向分量的蒸汽容積。該容積趨于具有大得多的周向分量，例如，圖3B中的容積31，其主要循環(huán)入和循環(huán)出紙平面，同時(shí)僅具有沿軸向方向的小的循環(huán)。因此，在低負(fù)載下，在潤(rùn)輪中使用的濕膜刮除開(kāi)孔(wet film scraping bore)變得低效，因?yàn)檫@些裝置通常取決于軸向流速來(lái)捕獲膜。
[0027]通過(guò)利用周向速度，即使在來(lái)自于渦輪的冷凝器單元的不利的反壓力的情況下，也可抽取熱流。[0028]推算示出了使用300mm寬度和20mm最大深度d的溝槽來(lái)抽取大約1%的質(zhì)量流，末級(jí)葉片的溫度可從178°C降低至166°C。該值可通過(guò)抽取更多來(lái)進(jìn)一步增大，但是以降低渦輪的總效率為代價(jià)。
[0029]從制造觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，使用于孔112的開(kāi)孔始于渦輪外殼11的上半部與下半部之間的分離線(xiàn)(split)處是有利的。然而，開(kāi)孔原則上可置于沿外殼或?qū)~持環(huán)的圓周的任何點(diǎn)處。還有可能沿相同的圓周線(xiàn)將溝槽的數(shù)目從兩個(gè)增加至三個(gè)、四個(gè)或更多個(gè)。在本發(fā)明的此類(lèi)變型中，溝槽的梯度較陡，以在小于半轉(zhuǎn)之后實(shí)現(xiàn)相同目標(biāo)深度。
[0030]還可為有利的是，將抽取溝槽和通道置于不同于末級(jí)導(dǎo)葉與葉片之間的位置處，或使抽取溝槽和通道在不止一個(gè)位置處。還有可能的是不沿單個(gè)周向線(xiàn)設(shè)置如上文所述的兩個(gè)溝槽和抽取通道，而是沿渦輪的軸向長(zhǎng)度略微地交錯(cuò)。
[0031]上文僅作為示例描述了本發(fā)明，且在本發(fā)明的范圍內(nèi)可作出改型，特別是涉及抽取溝槽和通道的形狀、數(shù)目和設(shè)計(jì)。本發(fā)明還由延伸至其等同物的本文中所述或暗示的或附圖中所示或暗示的任何獨(dú)立特征、或任何此類(lèi)特征的任何組合、或任何此類(lèi)特征或組合的概括構(gòu)成。因此，本發(fā)明的外延和范圍不應(yīng)由任何上述示范實(shí)施例限制。
[0032]包括附圖的說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的每個(gè)特征可由用于相同、等同或類(lèi)似目的的備選特征替換，除非另外明確指出。
[0033]除非在本文中明確地指出，否則說(shuō)明書(shū)各處的現(xiàn)有技術(shù)的任何論述都未承認(rèn)此類(lèi)現(xiàn)有技術(shù)是公知的，或形成本領(lǐng)域中的普通總體知識(shí)的一部分。
【權(quán)利要求】
1.一種軸流式渦輪(10)，包括: 外殼(11)，其限定用于其中的工作流體的流動(dòng)通路； 轉(zhuǎn)子(14)，其與所述外殼(11)同軸； 多個(gè)級(jí)，每個(gè)所述級(jí)包括: 沿周向安裝在所述外殼(11)上的靜止的成排導(dǎo)葉(12);以及 沿周向安裝在所述轉(zhuǎn)子(14)上的旋轉(zhuǎn)的成排葉片(13)；， 其中，暴露于所述工作流體的所述外殼(11)的內(nèi)面包括在所述旋轉(zhuǎn)葉片(13)的旋轉(zhuǎn)方向上深度增大的一個(gè)或多個(gè)基本周向的溝槽(111)，其中每個(gè)溝槽(111)終止于具有開(kāi)孔(112)的抽取端口中， 其特征在于，終止于所述外殼(11)的接頭線(xiàn)(C)處的所述一個(gè)或多個(gè)溝槽(111)和用于所述抽取端口的開(kāi)孔(112)在所述接頭線(xiàn)(C)的相反側(cè)處。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪(10)，其特征在于，所述抽取端口的開(kāi)孔(112)定向成與所述溝槽(111)相切。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪(10)，其特征在于，所述渦輪(10)具有沿基本相同的圓周的、在沿直徑相對(duì)的位置的兩個(gè)溝槽(111)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪(10)，其特征在于，與所述抽取端口結(jié)合的所述一個(gè)或多個(gè)溝槽(111)適于從所述葉片(13)的末梢附近的容積(31)移除工作流體，用于冷卻旋轉(zhuǎn)葉片(13)的所述末梢的目的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪(10)，其特征在于，所述抽取端口具有設(shè)計(jì)成取決于流動(dòng)穿過(guò)所述渦輪(10)的質(zhì)量流來(lái)開(kāi)啟或關(guān)閉的閥(113)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪(10)，其特征在于，與所述抽取端口結(jié)合的所述一個(gè)或多個(gè)溝槽(111)位于所述渦輪(10)的末級(jí)的導(dǎo)葉(12)與葉片(13)之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪(10)，其特征在于，與所述抽取端口結(jié)合的所述一個(gè)或多個(gè)溝槽(111)位于至少部分地由復(fù)合材料制成的成排葉片(13)附近。
8.—種冷卻軸流式渦輪(10)中的葉片(13)的方法，所述軸流式渦輪(10)具有: 外殼(11)，其限定用于其中的工作流體的流動(dòng)通路； 轉(zhuǎn)子(14)，其與所述外殼(11)同軸； 多個(gè)級(jí)，每個(gè)所述級(jí)包括:沿周向安裝在所述外殼(11)上的靜止的成排導(dǎo)葉(12);以及 沿周向安裝在所述轉(zhuǎn)子(14)上的旋轉(zhuǎn)的成排葉片(13)， 其中，暴露于所述工作流體的所述外殼(11)的內(nèi)面包括在所述旋轉(zhuǎn)葉片(13)的旋轉(zhuǎn)方向上深度增大的一個(gè)或多個(gè)基本周向的溝槽(111)，其中每個(gè)溝槽(111)終止于具有開(kāi)孔(112)的抽取端口中，所述方法包括以下步驟:開(kāi)啟所述抽取端口，并且通過(guò)所述溝槽(111)和所述抽取端口從接近所述葉片(13)的末梢的容積(31)抽取工作流體。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述抽取端口在所述渦輪(10)的正常操作期間閉合，且在所述渦輪(10)在低質(zhì)量流條件下操作時(shí)開(kāi)啟。
【文檔編號(hào)】F01D25/14GK103527258SQ201310264113
【公開(kāi)日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年6月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月28日
【發(fā)明者】B.梅格勒, S.哈瓦科奇安, T.莫庫(kù)伊斯 申請(qǐng)人:阿爾斯通技術(shù)有限公司