用于涡轮机的扩散器和排放系统.pdf

一种用于涡轮机的扩散器和排放系统(1)包括轴向-径向扩散器和排放罩(8)，其中，扩散器内、外流动引导件(10，12)从入口延伸到出口，且排放罩(8)在扩散器出口和排放罩侧壁(11’)之间包括两个喉部或流动通道。根据本发明，外流动引导件(12)在所述两个流动通道中的一个处包括凹部(14)。所述流动通道相对于排放罩(8)中的一个点在切向流速矢量的方向上定位，其中，排放罩(8)中的所述点离排放罩出口(22)最远。凹部(14)防止在排放罩(8)内流动的再加速，且使得扩散器和排放罩系统的性能得到提高。

1.  一种用于涡轮机的扩散器和排放系统(1)，包括：轴向-径向扩散器和排放罩(8)，所述扩散器包括内流动引导件(10)和外流动引导件(12)，内流动引导件(10)和外流动引导件(12)中的每个从最后的涡轮叶栅(4)处的扩散器入口延伸到扩散器出口，内流动引导件(10)从最后的涡轮叶栅(4)处的轮毂(5)延伸，外流动引导件(12)从最后的涡轮叶栅(4)处的涡轮机壳体(7)延伸，所述扩散器出口从内流动引导件的端部延伸到外流动引导件(12)的端部，排放罩(8)包括第一部分(20)和第二部分(21)，所述第一部分(20)包括端壁(11)、和绕着扩散器出口的圆周的近似一半延伸的侧壁(11’)，所述第二部分(21)从第一部分(20)延伸到排放罩出口(22)，所述排放罩(8)包括两个流动通道(24，25)，所述流动通道在从排放罩(8)的第一部分(20)向第二部分(21)的过渡点处，且在扩散器出口和排放罩侧壁(11’)之间，
其特征在于，
外流动引导件(12)包括在扩散器出口处的唇部(13)，所述唇部(13)在外流动引导件圆周的第一区间(C-B)上旋转对称，且所述外流动引导件(12)在圆周的第二区间(B-C，α)上包括凹部(14)，其中，圆周的第二区间(α)的角度范围包括所述两个流动通道(24，25)中的一个流动通道的角度位置，其中，流动通道(25)相对于排放罩(8)中的点(A)在切向流速矢量(S)的方向上设置，其中，所述排放罩(8)中的所述点(A)离排放罩出口(22)最远。

2.  如权利要求1所述的扩散器和排放系统(1)，其特征在于，
所述第二区间(B-C，α)在最高达140°的角度范围(α)上延伸。

3.  如权利要求2所述的扩散器和排放系统(1)，其特征在于，
所述第二区间(B-C，α)在最高达90°的角度范围(α)上延伸。

4.  如权利要求3所述的扩散器和排放系统(1)，其特征在于，
所述第二区间(B-C，α)从所述一个流动通道(25)沿切向流速矢量(S)的方向延伸。

5.  如权利要求2或3所述的扩散器和排放系统(1)，其特征在于，
所述第二区间(B-C，α)从所述一个流动通道(25)沿两个转动方向延伸。

6.  如前面权利要求中任一所述的扩散器和排放系统(1)，其特征在于，
外流动引导件(12)和内流动引导件(10)的经向横截面轮廓在它们的整个圆周上是相同的。

7.  如前面权利要求中任一所述的扩散器和排放系统(1)，其特征在于，
外流动引导件(12)在圆周的第一区间(C-B)中的经向横截面轮廓(40)与外流动引导件(12)的圆周的第二区间(B-C)中的经向横截面轮廓(42)不同。

8.  如权利要求6所述的扩散器和排放系统(1)，其特征在于，
内流动引导件(10)在圆周的第一区间中的经向横截面轮廓(41)与内流动引导件(10)的圆周的第二区间中的经向横截面轮廓(43)不同。

9.  如前面权利要求中任一所述的扩散器和排放系统(1)，其特征在于，
切向流速矢量(S)在涡轮转动方向(R)上。

10.  如前面权利要求中任一所述的扩散器和排放系统(1)，其特征在于，
切向流速矢量(S)在与涡轮转动方向(R)相反的方向上。

11.  如前面权利要求中任一所述的扩散器和排放系统(1)，其特征在于，
所述涡轮机是蒸汽轮机。

用于涡轮机的扩散器和排放系统
技术领域
本发明涉及一种用于涡轮机、特别是蒸汽轮机的轴向-径向扩散器和排放系统。
背景技术
在具有轴向-径向扩散器的涡轮机中，工作流体在最后的涡轮叶栅之后被排放，并流入环形张开的流动通道、扩散器，所述流动通道由内、外流动引导件形成，所述内、外流动引导件分别从涡轮的轮毂或最后的叶栅的顶端延伸。扩散器初始沿轴向且绕着涡轮转动轴线在整个360°的圆周上延伸，然后相对于涡轮转动轴线径向向外弯曲。扩散器出口通常通向排放罩，其中，出口通常定位在排放罩内。排放罩也具有用于排放工作流体的出口。在蒸汽轮机的情况下，出口将蒸汽引导到冷凝器中。排放罩在其出口的相反处具有第一部分，所述第一部分通常具有半圆形横截面，且包围着涡轮和扩散器的一半，所述排放罩还具有第二部分，所述第二部分具有矩形横截面，且从第一部分延伸到排放罩的出口。从排放罩的第一部分向第二部分的过渡由两个所谓的喉部形成，所述两个喉部相对于涡轮彼此相反。出口通常设置在涡轮轴线的水平面的下方，这通常称作向下排放的排放罩。然而，它也可设置在涡轮轴线的同一水平面上或高于该水平面。此时，在涡轮的任一侧或涡轮的上方分别邻近地设置冷凝器。
在最后的叶栅之后退出蒸汽轮机的蒸汽在扩散器中扩散或减速。由于在扩散器中蒸汽流的动能如此下降，因此，从最后的涡轮叶栅到扩散器出口，静压相应地升高。随着在扩散器中蒸汽压力沿流动方向的上述升高，当排放罩出口处的压力由施加的冷却环境(例如冷凝器)给定时，在最后的涡轮叶栅的水平面处的蒸汽压力相应地降低。因此，与不具有扩散器的涡轮机相比，涡轮机工作输出增大。因此，扩散器内的压力增大和涡轮机功率输出潜在性地可通过合适的扩散器设计得到提高。
扩散器内的静压的增大可优化涡轮机的性能。然而，由于罩内的流分离和涡流的形成可产生损失，这损害了总体性能。例如，由于支撑杆或根据排放罩的方位，这种涡流在扩散器和排放罩的不同区域可能达到不同的程度。例如，在将蒸汽引导到向下排放的排放罩(排放罩出口位于涡轮的水平面的下方)的扩散器中，在扩散器通道的最低部分中扩散的蒸汽将进入排放罩中，而流动方向没有变化或产生非常小的变化。然而，在扩散器的最上部分中扩散且大致沿径向和垂直向上的方向被引导的蒸汽经受180°的流动方向变化，以向下流动到排放罩中和向着底部的出口流动。这种大的方向改变引起涡流和损失，这不利地影响扩散器的性能，从而还影响涡轮机的功率输出。
US5518366公开了一种用于涡轮机的扩散器，该扩散器具有内、外流动引导件，每个流动引导件开始于邻近涡轮机的最后的叶栅的入口，终止于排放罩内的出口。向下排放的排放罩具有流动引导表面，所述流动引导表面离扩散器的外流动引导件的入口有一距离，所述距离在圆周上变化，且在特殊位置、例如排放罩的顶部处具有比最后的涡轮叶片的长度小的最小值。外流动引导件具有从其入口到其出口的轴向长度，该轴向长度也在流动引导件的圆周上变化，且在排放罩的流动引导表面与外流动引导件的入口之间具有最小距离的位置处最小。排放罩的流动引导表面与扩散器的外流动引导件的入口之间的最小距离以及外流动引导件的轴向长度根据最后的涡轮叶栅的机翼的长度限定。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于涡轮机的轴向-径向扩散器和排放系统，其相对于现有技术的扩散器在其空气动力学性能、特别是在其静压恢复方面得到了改善。
一种扩散器和排放系统包括扩散器和排放罩，扩散器具有内、外流动引导件，所述内、外流动引导件形成从最后的涡轮叶栅处的入口到定位在排放罩内的出口的流动通道。内流动引导件从最后的涡轮叶栅的轮毂延伸到扩散器出口，外流动引导件从最后的叶栅的顶端处的涡轮机壳体延伸到扩散器出口。扩散器是轴向-径向扩散器，所述轴向-径向扩散器首先相对于涡轮转动轴线沿轴向延伸，然后沿径向向外的方向弯曲。排放罩包括第一部分，所述第一部分具有端壁、和绕着扩散器出口的圆周的近似一半延伸的侧壁。所述排放罩还包括第二部分，所述第二部分从第一部分延伸到排放出口。排放罩在扩散器出口与排放罩的侧壁之间包括两个喉部或流动通道。所述两个喉部或流动通道定位在从排放罩的第一部分向第二部分过渡的点处，且在涡轮的圆周相反侧。
根据本发明，外流动引导件包括在扩散器出口处的唇部，所述唇部在圆周的第一区间上旋转对称，且所述外流动引导件包括位于圆周的第二区间上的凹部或切口。圆周的第二区间的范围包括两个喉部中的一个喉部的角度位置。特殊的喉部相对于排放罩中的特殊的点在切向流速矢量的方向上定位。排放罩中的该点在排放罩出口的圆周相反位置处，且该点离排放罩出口最远。
切向流速分量是离开最后一级涡轮的绝对流速矢量的分量。切向流速矢量的方向取决于最后的涡轮叶栅的设计。在许多涡轮机中，该方向与涡轮转动方向一致。然而，在其他涡轮机设计中，切向流速矢量的方向与涡轮转动方向相反。
例如，在涡轮机中，具有在涡轮转动方向上的切向流速矢量，其中，该方向是顺时针方向。如果涡轮机配备有向下排放的排放罩，排放罩出口的圆周相反点在罩的顶部。根据本发明，当从排放罩的入口观看排放罩时，位于扩散器的外流动引导件处的凹部此时定位在排放罩的右手侧的喉部处。
位于外流动引导件的唇部上的凹部或切口设置在从排放罩的第一部分到第二部分的两个喉部或流动通道中的仅一个处。在凹部作用的该特殊喉部的附近，通常具有高速流动区域，在此，切向流速矢量主要趋向于推动工作流体。因此，该区域在再加速和静压下降方面是最关键的。凹部在该喉部处的特殊设置起着扩大作用，防止工作流体在喉部区域的再加速。因此防止动能的上升和静压的下降，从而，扩散器和排放系统的性能得到改善。
在本发明的第一示例性实施例中，外流动引导件圆周的第二区间的角度范围包括所述喉部的位置，其中，凹部的角度范围在两个转动方向上延伸了最高达140°的角度范围，即也远离排放罩出口延伸。因此，该角度范围包括高速流动区域，所述高速流动区域具有从喉部沿两个方向延伸的涡流。在本发明的一个优选示例性实施例中，第二区间的角度范围位于最高达90°的范围内。
在本发明的第二示例性实施例中，凹部的角度范围从所述喉部的位置沿切向流速矢量的方向延伸，其中，角度范围位于最高达90°的范围内。
在第一以及第二示例性实施例中，凹部的角度范围在其最大程度上达到排放罩的出口的中心。这种范围包括了排放罩中的高速流动区域的最大范围。
在本发明的第一和第二示例性实施例中，扩散器轮廓在扩散器的整个圆周上是相同的，即在扩散器的第一和第二区间上是相同的。
在本发明的另一示例性实施例中，流动引导件在圆周的第一部分中的经向横截面轮廓与圆周的第二部分中的经向横截面轮廓不同。位于流动引导件的唇部上的凹部引起了相当突然的过渡，这可引起扩散器性能的下降。为了补偿该性能损失，与在圆周的其余部分上、即在圆周的第一区间中的轮廓相比，流动引导件在凹部的角度范围内的轮廓、即流动引导件在圆周的第二区间的轮廓被改变。在两个区间之间，具有平滑的几何形状过渡。特别地，该措施避免了与流分离和涡流相关的损失。
在一个示例性实施例中，在具有凹部的第一区间中的轮廓具有比位于凹部区域之外的第二区间中的轮廓的曲率小的总体曲率。
附图说明
图1示出了根据本发明的涡轮机扩散器和排放系统的实施例的视图；
图2示出了沿着图1中的线II-II所作的排放罩的横截面；
图3a和3b示出了沿着工作流体流的方向观看的在图1中的线III-III处所作的根据本发明的排放罩和扩散器外流动引导件的横截面。它们分别示出了具有不同角度范围的凹部或切口的外流动引导件的示例性实施例；以及
图4示出了在图3中的线IV-IV处所作的根据本发明的扩散器的特殊实施例的外流动引导件的经向横截面。
具体实施方式
图1示出了用于涡轮机的排放系统1，所述涡轮机具有沿箭头所示的方向转动的涡轮转子2，涡轮转子2具有涡轮转动轴线3。仅示出了涡轮叶片中的最后的叶栅，其设置在转子2上，其中，叶片4从轮毂5延伸到叶片顶端6。内涡轮机壳体7围出直到最后的叶栅的顶端的涡轮通道。涡轮机排放系统包括轴向-径向扩散器和排放罩8，其中，扩散器提供从涡轮机的最后的叶栅到排放罩8的用于涡轮机工作流体9的流体通道。在这种情况下，排放罩8是向下排放的排放罩，所述排放罩具有位于涡轮的水平面下方的出口(未示出)。所述排放罩包括端壁11、和绕着扩散器出口的圆周的近似一半延伸的侧壁11’。进入排放罩的工作流体9向着排放罩出口流动，其中，在罩内的最顶端的空间处，流体急剧地改变其流动方向，在罩的最低的空间处，流体的流动方向发生最小的变化。
扩散器包括内流动引导件10，所述内流动引导件首先相对于涡轮转动轴线3沿轴向从轮毂5延伸，然后径向向外弯曲，且终止于排放罩8的端壁11处。扩散器外流动引导件12首先沿轴向从内壳体7的端部延伸，沿径向向外的方向弯曲，然后终止于排放罩8内。扩散器将工作流体9引导到排放罩中，在所述排放罩处，工作流体向下流动。在所示的示例中，内流动引导件10和外流动引导件12分别由多个直的加边(edged)的单个流动通道区段10’和12’构成，所述流动通道区段以扭折角(kink angle)接合到彼此上。外流动引导件12在其端部处具有唇部13，根据本发明，所述唇部在一角度范围上具有凹部或切口14，这降低了外流动引导件的长度。在所示的实施例中，凹部具有与在外流动引导件的端部处的直的加边的区段相等的深度。在另一实施例中，深度包括一个以上的区段。
在本发明的另一实施例中，内或外流动引导件或这两个流动引导件以一个平滑成形的件(在其外形中不具有扭折角)实现。在这种情况下，凹部的深度是任意的。
图2示出了通过侧壁11’和外流动引导件和内流动引导件之间的扩散器出口的向下排放的排放罩8的横截面。它示出了罩的第一部分20，在这种情况下为上部分，所述第一部分20具有近似半圆形的形状；以及第二部分21，所述第二部分21从第一部分向下向着排放罩出口22延伸。在蒸汽轮机系统的情况下，排放罩出口22通向冷凝器颈部23。这种类型的排放系统也可侧偏设置，在此，排放罩出口位于涡轮的任一侧。排放罩出口也可定位在涡轮的顶部、涡轮的水平面的上方。这些类型的排放系统称作侧旁或向上的排放系统。在此所述的根据本发明的扩散器和排放罩的所有几何结构特征在侧旁或向上的排放系统中相应地被转动。从排放罩的第一部分到第二部分的过渡部分或通道称作排放罩的喉部。在所示的排放罩中，从排放罩的第一部分到第二部分的喉部或流动通道24和25在涡轮转动轴线3的水平面处分别位于涡轮的相应的一侧。根据排放罩的第一部分相对于涡轮转动轴线3的设计和放置，喉部位于涡轮的每一侧和在涡轮转动轴线的水平面处、水平面上方或水平面的下方。在喉部24、25中，工作流体经受流动加速，这在这种类型的排放系统中形成了高速流动区域。然而，工作流体流的再加速的加速度在涡轮的每一侧的两个喉部中是不相同的。根据流体流中的切向流速矢量的方向S，在一侧，再加速较大，其中，在绝大部分的涡轮机设计中，切向流速矢量的方向S与涡轮转动方向R对应。对于绝大部分的涡轮机设计，具有较大的流体流的再加速的喉部为喉部25，所述喉部25相对于点A在切向流速矢量的方向S上定位。点A离排放罩出口22最远。根据本发明，外流动引导件12在其唇部13处具有凹部14，所述凹部14包括喉部或流动通道25的角度位置，且在离喉部25的给定角度上延伸。凹部14的角度范围包括排放罩内的高速流动区域。
图3a示出了用于涡轮机的扩散器和排放系统的第一变型，所述涡轮机具有转动轴线3且沿箭头所示的方向(顺时针方向)转动。排放罩在从排放罩的第一部分20到第二部分21的过渡点处具有两个喉部24和25，它们在外流动引导件12的最外边缘与排放罩的侧壁之间形成用于工作流体的通道。通常，喉部25相对于扩散器的性能是更关键的喉部。(在切向流速矢量处于与涡轮转动方向相反的方向上的涡轮机设计中，关键喉部是喉部24)。扩散器的外流动引导件12设置在排放罩8内，且例如包括多个区段12’，所述多个区段以扭折角设置到彼此上。在流动引导件12的端部处的区段12’具有唇部13，且在流动引导件的从点B沿顺时针方向延伸到点C的第一角度区间C-B上旋转对称。在圆周的第二角度区间B-C中，流动引导件的区段12’具有凹部14，所述凹部14从点B沿顺时针方向延伸经过角度范围α到点C，所述角度范围包括流动通道或喉部25的角度位置。凹部14的区域从喉部25的水平面沿两个转动方向分别例如达到大约45°。凹部14的深度例如等于最外的流动引导区段12’的深度。为了防止在向凹部14的过渡点附近出现流分离或涡流，通过在角度β₁和β₂上延伸的弯曲部分30和31实现过渡。
图3b示出了扩散器和排放系统的另一变型，其在本发明的所有基本方面均与图3a的扩散器和排放系统类似。在该变型中，凹部区域也包括喉部25的角度位置。在流动引导件的端部处的区段12’的凹部14从喉部25的位置沿顺时针方向延伸经过角度α达到排放罩出口22的中心。该区域包括可在这种类型的排放系统中出现的所有高速流动区域。与图3a中的扩散器类似，凹部具有弯曲过渡部分32和33。
图1-3中的外流动引导件12以及内流动引导件10的轮廓分别在其整个圆周上是相同的。在本发明的另一个实施例中，轮廓在圆周上变化，如图4所示。
图4示出了分别具有相应的流动引导区段12’和10’的外流动引导件12和内流动引导件10的横截面的顶视图。外、内流动引导件的相应的轮廓40和41通向扩散器出口和喉部24。外、内流动引导件的相应的轮廓42和43通向扩散器出口和喉部25。
外流动引导件轮廓40延伸到唇部13。与通向喉部24的外流动引导件轮廓40相比，通向喉部25的外流动引导件轮廓42缩短了凹部14的深度。在该图示出的特殊的实施例中，轮廓42不仅在凹部14的方面与轮廓40不同，而且，从扩散器的最后的涡轮叶栅4处的入口到扩散器的出口，轮廓本身的形状也不同。为了示出了轮廓之间的差别，轮廓40邻近轮廓42以虚线示出。轮廓42与轮廓40的不同在于，轮廓42的其总体曲率小于轮廓40的总体曲率。这种措施避免流分离，否则由于外流动引导件的较短的轮廓而可能发生这种流分离。
具有区段10’和轮廓41的内流动引导件10从扩散器入口通向排放罩的端壁11和喉部24。具有区段10’和轮廓43的内流动引导件10从扩散器入口通向排放罩的端壁11和喉部25。轮廓41与轮廓43的不同之处在于，轮廓41的总体曲率大于轮廓43的曲率。为了示出该区别，邻近轮廓43以虚线示出了轮廓41。
从轮廓40到轮廓42的过渡通过合适的几何平滑曲线实现。
附图中使用的术语
1         扩散器和排放系统
2         转子
3         涡轮转动轴线
4         涡轮叶片
5         轮毂
6         叶片顶端
7         涡轮机壳体
8         排放罩
9         工作流体流动方向
10        内流动引导件
11        排放罩的端壁
11’      排放罩的侧壁
12        外流动引导件
13        外流动引导件的唇部
14        自外流动引导件12的唇部13的凹部或切口
15-19     -----
20        排放罩的第一(上)部分
21        排放罩的第二(下)部分
22        排放罩的出口
23        冷凝器颈部
24        喉部
25        喉部
30-33     向凹部14的弯曲过渡部分
R         涡轮转子的转动方向
S         切向流速矢量的方向(通常为涡轮转动方向；然而也可为与涡轮转动方向相反的方向)
A         离排放罩出口最远的点
B、C      限界外流动引导件12中的凹部14的角度范围的点
α        凹部14的角度
β₁、β₂  向凹部14的过渡部分的角度范围
40        通向喉部24的外流动引导件的轮廓
41        通向喉部24的内流动引导件的轮廓
42        通向喉部25的外流动引导件的轮廓
43        通向喉部25的内流动引导件的轮廓