转子冷却.pdf

本发明的实施例大体涉及转子冷却，并且更具体地涉及具有用于冷却蒸汽向动叶根部的传送的至少一个通路的定子构件。在一个实施例中，本发明提供了涡轮，其包括：转子，其包括第一动叶根部；和定子构件；该定子构件具有：转子孔，在其内布置转子的至少一部分；面向端部，其邻近转子的第一动叶根部；多个密封件，其在转子孔内以用于抵靠转子密封，该多个密封件包括最接近面向端部的第一密封件和邻近第一密封件的第二密封件；以及多个通路，每个通路在第一密封件和第二密封件之间的点处从转子孔的表面延伸并延伸穿过面向端部。

权利要求书
1.   一种涡轮，包括：
转子，其包括第一动叶根部；以及
定子构件，其具有：
转子孔，在其内布置所述转子的至少一部分；
面向端部，其邻近所述转子的第一动叶根部；
多个密封件，其在所述转子孔内以用于抵靠所述转子密封，所述多个密封件包括最接近所述面向端部的第一密封件以及邻近所述第一密封件的第二密封件；以及
多个通路，每个通路在所述第一密封件与所述第二密封件之间的点处从所述转子孔的表面延伸并延伸穿过所述面向端部。

2.   根据权利要求1所述的涡轮，其特征在于，所述第一密封件选自由刷式密封件和填密环组成的组。

3.   根据权利要求2所述的涡轮，其特征在于，所述第一密封件是填密环且所述第二密封件是填密环。

4.   根据权利要求1所述的涡轮，其特征在于，还包括附连至所述面向端部的导流板，所述导流板包括多个通路，其从邻近所述面向端部的第一表面延伸穿过至基本平行于所述第一表面的第二表面，其中所述导流板的多个通路中的至少一个与所述定子构件的多个通路中的一个连通。

5.   根据权利要求4所述的涡轮，其特征在于，所述导流板的多个通路中的至少一个在所述转子的旋转方向上成角度。

6.   根据权利要求4所述的涡轮，其特征在于，所述导流板的多个通路中的至少一个在所述导流板内成角度在大约45度与大约90度之间。

7.   根据权利要求6所述的涡轮，其特征在于，所述导流板的多个通路中的至少一个在所述导流板内成角度在大约60度与大约85度之间。

8.   根据权利要求7所述的涡轮，其特征在于，所述导流板的多个通路中的至少一个在所述导流板内成角度在大约80度的角度。

9.   根据权利要求1所述的涡轮，其特征在于，在操作状态下，一定量的蒸汽从所述第一密封件与所述第二密封件之间转移穿过所述定子构件的多个通路并进入所述面向端部与所述第一动叶根部之间的轮间隙空腔中。

10.   根据权利要求9所述的涡轮，其特征在于，所述定子构件的多个通路在所述一定量的蒸汽上赋予高于约1.6的涡流比。

说明书转子冷却
背景技术
邻近转子动叶的第一轮间隙的冷却已经在包括蒸汽涡轮的许多涡轮机中采用。典型地，这种冷却采用从高压区段的较后级至中压区段的第一轮间隙的蒸汽的转移。但是，已经发现在操作状态下，冷却流的涡流比-定义为由转子的速度除以冷却蒸汽的周向速度-在提供高效冷却和延长转子寿命中很重要。同样重要的是在冷却蒸汽源与该蒸汽向轮间隙释放处的点之间的压降。本发明的实施例描述了涡流比和压降两者的改进和/或相互作用以提供更高效的冷却流。
发明内容
在一个实施例中，本发明提供了涡轮，其包括：转子，其包括第一动叶根部；和定子构件；该定子构件具有：转子孔，在其内布置转子的至少一部分；面向端部，其邻近转子的第一动叶根部；多个密封件，其在转子孔内以用于抵靠转子密封，该多个密封件包括最接近面向端部的第一密封件和邻近第一密封件的第二密封件；以及多个通路，每个通路均在第一密封件和第二密封件之间的点处从转子孔的表面延伸并延伸穿过面向端部。
在另一实施例中，本发明提供了用于涡轮的定子构件，该定子构件包括：伸长主体；转子孔，其在伸长主体内并沿着该伸长主体的纵向轴线；至少一个通路，其具有在转子孔的表面上的第一开口并延伸穿过伸长主体至在伸长主体的面向端部上的第二开口，面向端部沿着基本垂直于伸长主体的纵向轴线的平面安放；以及第一凹部，其沿着转子孔的表面以用于容纳密封装置，第一凹部布置在面向端部和至少一个通路的第一开口之间。
本发明的第一技术方案为一种涡轮，其包括：转子，其包括第一动叶根部；以及定子构件。该定子构件具有：转子孔，在其内布置转子的至少一部分；面向端部，其邻近转子的第一动叶根部；多个密封件，其在转子孔内以用于抵靠转子密封，多个密封件包括最接近面向端部的第一密封件以及邻近第一密封件的第二密封件；以及多个通路，每个通路在第一密封件与第二密封件之间的点处从转子孔的表面延伸并延伸穿过面向端部。
本发明的第二技术方案为，在本发明的第一技术方案中，第一密封件选自由刷式密封件和填密环组成的组。
本发明的第三技术方案为，在本发明的第二技术方案中，第一密封件是填密环且第二密封件是填密环。
本发明的第四技术方案为，在本发明的第一技术方案中，涡轮还包括附连至面向端部的导流板，导流板包括多个通路，其从邻近面向端部的第一表面延伸穿过至基本平行于第一表面的第二表面，其中导流板的多个通路中的至少一个与定子构件的多个通路中的一个连通。
本发明的第五技术方案为，在本发明的第四技术方案中，导流板的多个通路中的至少一个在转子的旋转方向上成角度。
本发明的第六技术方案为，在本发明的第四技术方案中，导流板的多个通路中的至少一个在导流板内成角度在大约45度与大约90度之间。
本发明的第七技术方案为，在本发明的第六技术方案中，导流板的多个通路中的至少一个在导流板内成角度在大约60度与大约85度之间。
本发明的第八技术方案为，在本发明的第七技术方案中，导流板的多个通路中的至少一个在导流板内成角度在大约80度的角度。
本发明的第九技术方案为，在本发明的第一技术方案中，在操作状态下，一定量的蒸汽从第一密封件与第二密封件之间转移穿过定子构件的多个通路并进入面向端部与第一动叶根部之间的轮间隙空腔中。
本发明的第十技术方案为，在本发明的第九技术方案中，定子构件的多个通路在一定量的蒸汽上赋予高于约1.6的涡流比。
本发明的第十一技术方案为，在本发明的第十技术方案中，涡流比在大约1.7与大约2之间。
本发明的第十二技术方案为，在本发明的第九技术方案中，一定量的蒸汽在第一密封件与第二密封件之间的点处具有第一压力，其比在轮间隙空腔内的第二压力至少高50psi。
本发明的第十三技术方案为，在本发明的第十二技术方案中，第一压力比第二压力高大约80psi。
本发明的第十四技术方案为一种用于涡轮的定子构件，该定子构件包括：伸长主体；转子孔，其在伸长主体内并沿着伸长主体的纵向轴线；至少一个通路，其在转子孔的表面上具有第一开口并且延伸穿过伸长主体至在伸长主体的面向端部上的第二开口，面向端部沿着基本垂直于伸长主体的纵向轴线的平面放置；以及第一凹部，其沿着转子孔的表面以用于容纳密封装置，第一凹部布置在面向端部与至少一个通路的第一开口之间。
本发明的第十五技术方案为，在本发明的第十四技术方案中，定子构件还包括第二凹部，其沿着转子孔的表面以用于容纳第二密封装置，第二凹部布置为邻近至少一个通路的第一开口并与第一凹部相对。
本发明的第十六技术方案为，在本发明的第十四技术方案中，定子构件还包括固连至面向端部的导流板，导流板包括至少一个通路，其从邻近面向端部的第一表面延伸穿过至基本平行于第一表面的第二表面，至少一个通路与定子构件的至少一个通路连通。
本发明的第十七技术方案为，在本发明的第十六技术方案中，定子构件导流板的至少一个通路在导流板内成角度在大约45度与大约90度之间。
本发明的第十八技术方案为，在本发明的第十七技术方案中，定子构件导流板的至少一个通路在导流板内成角度在大约60度与大约85度之间。
本发明的第十九技术方案为，在本发明的第十八技术方案中，定子构件导流板的至少一个通路在导流板内成角度在大约80度。
本发明的第二十技术方案为，在本发明的第十六技术方案中，定子构件导流板的至少一个通路在转子的旋转方向上成角度。
附图说明
本发明的这些和其它特征将从结合绘出本发明的各种实施例的附图做出的本发明的各种方面的下列详细描述而更容易理解，其中：
图1根据本发明的实施例显示了涡轮的一部分的示意性剖面侧视图。
图2根据本发明的另一实施例显示了涡轮的一部分的示意性剖面侧视图。
图3根据本发明的实施例显示了导流板的正视图。
图4显示了图3的导流板的侧视图。
图5根据本发明的另一实施例显示了涡轮的一部分的示意性剖面侧视图。
图6根据本发明的另一实施例显示了涡轮的一部分的示意性剖面侧视图。
图7根据本发明的各种实施例显示了作为涡流比的函数的相对热交换和压差的图示。
注意到，本发明的图不按照比例。附图意图仅绘出本发明的典型方面，并因此不应视为限制本发明的范围。在图中，相同的标号代表图中相同的元件。
附图标记：
100、200、300、400     涡轮
10                         定子
12                         面向端部
16、18                 密封空腔
20                         转子孔
26、28                 密封件
30、130               第一通路
32                         第一开口
34                         第二开口
38、138               第二通路
40                         转子
50、52                 动叶
60、62                 非旋转喷嘴
60                         第一轮间隙
61                         第二轮间隙
66                         蒸汽路径
70                         第一动叶根部
72                         第二动叶根部
90                         附加通路
92、185、187           开口
110、310                   定子
112、312                   面向端部
134                    流离开开口
136                    导流通路
180、380                   导流板
182、184、186、188     通路
182                    主体
182A                  第一面
182B                  第二面
226                    第一密封件。
具体实施方式
图1根据本发明的一个实施例显示了涡轮100的一部分的示意性剖面侧视图。在图1中，转子40位于定子构件10的转子孔20内。第一轮间隙60存在于定子10的面向端部12和动叶50的第一动叶根部70之间。如图1中可见，动叶50是固连于转子40的多个动叶50、52中的一个，该转子40交替多个非旋转喷嘴60、62，这对于诸如涡轮100的涡轮机是典型的。本领域技术人员应理解，术语“叶片”通常用于航空涡轮，而术语“动叶”典型地在描述用于陆基涡轮的相同类型部件时使用。但是，为了简洁，在本文中应当使用术语“动叶”以共同地指代动叶或叶片。
多个密封件26、28分别位于定子10的密封空腔16、18内并用于将转子40抵靠定子10密封。如图1所示，第一密封件26是刷式密封件，而第二密封件28是填密环。其它的密封构造和组合当然是可能的且在本发明的范围内。
在图1的实施例中，第一通路30从第一密封件26和第二密封件28之间的第一开口32延伸穿过第二通路38和定子10至在定子10的面向端部12上的第二开口34。冷却蒸汽因此被允许从第一密封26和第二密封28之间传至第一轮间隙60，从而冷却第一动叶根部70。如下面将更详细地描述的，第二通路38相对定子10的纵向轴线切向地(周向地)成角度，使得冷却蒸汽以一角度接触第一动叶根部70。但是，第一通路30也可可选择地相对定子10的纵向轴线切向地成角度。典型地，这种角度将在转子40的旋转方向上，使得冷却蒸汽的涡流比和伴随的热提取效率提高。第二通路38可包括或包含会聚或会聚-分散的区段以加速流离开开口34。
如图1所示，可选择的附加通路90可提供在第一动叶根部70中，使得引导进入第一轮间隙60的冷却蒸汽可继续流动穿过动叶根部70并进入在第一动叶根部70和第二动叶根部72之间的第二轮间隙61。再者，进入第二轮间隙61的附加通路90和/或其开口92可相对定子10的纵向轴线成角度。这种成角度可在例如转子40的旋转方向上。
冷却蒸汽引入第一轮间隙60(尤其是在第一轮间隙60内获得压力的显著增加处)的附加优点是从蒸汽路径66进入第一轮间隙60的操作热蒸汽的泄漏的降低，这将对加热动叶根部70起作用。
图2根据本发明的另一实施例显示了涡轮200的一部分的示意性剖面侧视图。在此，已将导流板180附连至定子110的面向端部112。根据本发明的一些实施例，导流板180非固定地附连至面向端部112，使得其可移除。根据本发明的一些实施例，为了制造的简易，第一通路130和第二通路138可不切向地成角度。在这种情况下，导流通路136可相对定子110的纵向轴线切向地成角度，从而在冷却蒸汽离开导流板180时提供冷却蒸汽的基本相同偏角，如同第一通路130和/或第二通路138成角度那样。再者，导流通路136可包括会聚或会聚-分散区段以加速流离开开口134。
图3和图4分别地显示了导流板180的一个实施例的正视图和侧视图，其中通路182、184、186如此地切向地(周向地)成角度。尽管只有三个通路182、184、186在图3和图4中标记并在图4中显示，但是这仅仅是为了示出的简易性。此外，应当理解，可根据在其中导流板180将被采用的位置的要求而采用任意数量的任何尺寸或变动尺寸的通路。
在图3和图4所示的实施例中，导流板180包括主体182，其具有第一面182A和第二面182B、以及从第一面182A通向第二面182B的多个通路184、186、188。第一面182A或第二面182B放置为与定子110(图2)的面向端部112(图2)接触，使得通路182、184、186与第二通路138连通。如图4所示，每个通路184、186、188相对定子110的纵向轴线A(即基本垂直于第一面182A和/或第二面182B的线)成角度为角度α。对于通路186，标记了例如在面182A上的开口185和在面182B上的开口187。可使用任何已知的或稍后发展的装置或方法(包括例如螺栓、螺钉或其它的紧固件、焊接等)将导流板180附连至面向端部112。
通路184、186、188相对定子110(图2)的纵向轴线A切向地所成的角度α当然将根据这种成角度的期望效果而变化。但是典型地，角度α离定子110的纵向轴线A处于大约45°与大约90°之间，例如，处于大约60°与大约85°之间，或大约80°。如上面所注意到的，申请人已经发现冷却蒸汽的涡流比-定义为由转子的速度除以冷却蒸汽的周向速度-在提供高效冷却和延长转子寿命中很重要。更具体地，申请人已经发现大约1.7或更大的涡流比引起更大的传热率。已经发现离定子110的纵向轴线大约45°与大约90°之间的角度以获得这种涡流比。
图5和图6根据本发明的其它实施例显示了涡轮300、400的部分的示意性剖面侧视图。在图5中，第一密封件226是密封环而不是如图1中的刷式密封件。在图6中，已经将可选的导流板380附连至定子310的面向端部312。
此外，申请人已经发现，限制在冷却蒸汽传送至第一轮间隙60(图1)处的点的尺寸和/或数量改进了传热并在一些情况下也提高了涡流比。例如，通过限制进入第一轮间隙60的通路30(图1)的尺寸和/或数量或者第二开口34(图1)的尺寸和/或数量以获得50psid(磅/平方英寸压差)或更多的压差，这加速了冷却蒸汽，申请人已经发现传热可极大地改进。在一些情况下，传热的改进高达80％。在一些实施例中，压差高达80psid。
在本发明的一些实施例中，通过使通路184、186、188成角度与提高冷却蒸汽的压差以加速流动的组合来获得传热的改进。但是应当注意到，在本发明的其它实施例中，角度α可处于或接近0°，使得通路184、186、188取向为基本平行于导流板180的第一面182A和第二面182B或相对它们处于小角度，其中传热改进主要通过提高冷却蒸汽的压差来实现。在仍然其它实施例中，传热改进主要通过使通路184、186、188成角度而实现，而不带有冷却蒸汽的压差的蓄意或显著的提高，即，压差低于大约50psid。
图7基于根据本发明的各种实施例由申请人观察到的结果显示了作为涡流比的函数的相对热交换和压差的图示。如图7中可见，当涡流比向1.0(在该点处相对传热达到其最小值)增加时，相对热交换最初沿着部分A降低。这是可理解的，因为在1.0的涡流比处，冷却蒸汽的速度等于转子的速度，即，转子基本沉浸在冷却蒸汽中而没有经由冷却蒸汽相对转子的相对移动而获得的任何附加传热。根据本发明的各种实施例，沿着部分A的相对热交换值是使用冷却蒸汽而不采用成角度的通路30、38(图1)和/或导流板180(图2)可获得的那些。
仍然参照图7，当涡流比增加至高于1.0时(如可根据本发明的各种实施例获得)，相对热交换沿着部分B增加直至在大约1.7处，相对热交换等于不通过本发明(即，带有少于1.0的涡流比)可获得的最大相对热交换。高于大约1.7的涡流比导致相对热交换大于通过小于1.0的涡流比可获得的最大值。如图7中可见，在大约2.5的涡流比处，相对热交换大约为通过小于1.0的涡流比可获得的最大值的两倍。
图7的部分C显示了产生相应的涡流比所需的压差。如可见，需要大约50psid的压差以获得大约1.7的涡流比。从该点来说，压差提高导致涡流比的进一步提高，从而引起更高的相对热交换。根据本发明的各种实施例，这反应了以下事实：相对热交换包括与部分C中显示的压差相应的成分和与使用成角度通路和/或导流板获得的冷却蒸汽的偏角相应的成分。这也证明了图1中的第一密封件在构建需要的压差以驱动冷却流穿过成角度通路并实现期望涡流比中的作用。
本文中使用的术语仅为了描述具体实施例且不意图成为本公开的限制。如在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”也意图包括复数形式，除非文中另外清楚地规定。还将理解，术语“包括…”和/或“包括…的”在说明书中使用时明确了所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其它的特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组的存在或附加。
本书面描述使用示例以公开本发明，其包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及实行任何相关的或合并的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有与权利要求的字面语言没有差别的结构元件，或者如果这些其它示例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其它示例意图在权利要求的范围内。