蒸汽涡轮中的低体积流不稳定性的控制

摘要

本发明涉及一种蒸汽涡轮中的低体积流不稳定性的控制。蒸汽涡轮的末级的构造(10)，其中转子叶片(2)旋转，由导叶托架(1)环绕，使得多个通路(20)位于导叶托架(1)中，使得流体被穿过这些通路(20)吹送，从而形成撞击在转子叶片(2)上的流，通路(20)的数目、通路(20)在导叶托架(1)中的位置和撞击在转子叶片(2)上的流的速度以一种方式计算，使得当蒸汽涡轮在低体积流状态下操作时避免转子叶片(2)中的旋转流不稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种蒸汽涡轮中的末级的构造，其用于在蒸汽涡轮以低体积流状态操作时，特别是在启动和低负载状态期间，控制末级转子叶片中的旋转流不稳定性。

背景技术

失速是一种已知现象，其基于负载的突然减小，该负载施加到经历流动的轮廓上：在蒸汽涡轮中，失速现象引起转子叶片中，尤其是末级转子叶片中的旋转流不稳定性。

在蒸汽涡轮中，在启动和低负载状态(直到设计质量流的大约10%)期间，流动结构很混乱，特别是在蒸汽涡轮的低压级中：该流在转子叶片中沿径向向外离心，该流在定子叶片中沿径向向内离心。在低负载状态下，存在到末级转子叶片上的高流动冲角(incidence)，这可引起流与转子叶片表面的分离和流不稳定性，这些不稳定性通常被发现是以叶片转速的大约一半旋转。在该点处，形成也包含大环面涡旋结构的流场。这些旋转不稳定性可与转子叶片的自然频率耦合，且产生非期望的振动效应。

本领域中已知的一些解决方案通过移除末级低压通道来最小化此问题，该通道由新设计的通常包括带孔板的部分替换。然而，这导致蒸汽涡轮中的较大效率损失，也是很昂贵的。此外，旋转流不稳定性可能向上游移动，且使得蒸汽涡轮中的其它级产生故障。

本发明针对解决这些问题。

发明内容

本发明涉及一种构造，该构造用于当蒸汽涡轮在低体积状态下操作时，特别是在启动和低负载状态期间，控制蒸汽涡轮中的流不稳定性。本发明的构造包括位于蒸汽涡轮的低压级的末级导叶托架中的多个通路，这些通路位于导叶托架处的特定位置处：穿过这些通路，流体被吹送到旋转叶片上，来抵消它们中的旋转流不稳定性。通路的数目和它们的特定位置以一种方式限定，使得被吹送的流体朝向转子叶片，且防止激励。

根据本发明的一个实施例，通路沿周向定形为以便增大各个通路的周向覆盖。

被穿过通路吹送到转子叶片中的流体使得入射到转子叶片上的旋流注射角度形成从零到-90度的角度。正的角度沿涡轮转子旋转方向获得，其中零度为轴向，其中，在轴向/径向平面中，射流被从外流动边界向下引导。

利用本发明的构造，实现了转子叶片振动的接近完全的消除。

附图说明

在结合附图时，通过参照以下详细描述，本发明的前述目的和附随优点中的许多变得更好理解，因而其将变得更容易被认识到，在附图中：

图1示出蒸汽涡轮中的低流动特性。可看到通流的径向移动伴有回流区(recirculation zone)的产生；

图2示出本发明的实施例，其中通路沿周向方向定形为增大提供的各个通路的流覆盖；

图3示意性地示出本发明的构造，该构造用于当涡轮在低体积状态下操作时控制蒸汽涡轮的末级转子叶片中的流不稳定性；

图4a,b,c示出注射旋流角度对体积流与部分速度(fractional speed)和振幅的影响；且

图5示出吹送质量流对动态叶片应力的影响。

部件列表

1 末级导叶托架

2 转子叶片

10 用于控制流不稳定性的构造

20 通路

30 导叶托架中的环面涡旋。

具体实施方式

本发明涉及一种构造10，构造10用于当涡轮在低体积状态下操作时，特别是在启动和低负载状态期间，控制蒸汽涡轮的末级转子叶片2中的流不稳定性。构造10使得多个通路20位于蒸汽涡轮的末级的导叶托架1中，这些通路20位于导叶托架1的圆周处的特定位置处。穿过这些通路20，流体被吹送到转子叶片2上。通路20的数目和它们的特定位置以一种方式限定，使得穿过通路20吹送的流体朝向转子叶片2，从而避免在这些末级转子叶片2上产生非期望的振动效应的它们中的旋转稳定性问题。

图1示出启动和低负载状态(直到设计质量流的大约10%)期间的末级低压导叶托架1中的流型，示出流动结构很混乱。导叶托架1中的通流采用如图1所示的波形，存在大环面涡旋结构30：末级低压导叶托架1实际上作用为径向泵，且存在对级的净能量输入。根据已知的现有技术，解决方案为使用注射排气扩散器中的水喷雾来冷却排气外壳导叶托架壁和末级叶片，但该解决方案并非认为是可靠的。

本发明的构造10的目的在于设计通路20来消除蒸汽涡轮的启动和低负载状态期间末级转子叶片2中的旋转流不稳定性。

末级转子叶片2上游的通路20的位置使得注射流被引导穿过末级导叶托架1至从叶片平台到末梢测量的大约80%的末级叶片高度，以便吹送到通常形成在转子叶片2末梢区域上游的环面涡旋30中。

根据一系列图4a,4b和4c，示出了一系列测试，其证实了如下令人惊讶的效果，即负的注射角度导致可看到与共振去耦的更稳定和稳态的分离流。该测试在三分之一比例模型的低压蒸汽涡轮中在一定范围的质量流速和冷凝器压力内执行。在测试期间，使用位于末级叶片表面上的应变仪来进行末级叶片应力的测量。这些测量结果在图4a,4b和4c中示为表示振幅的线。

作用为麦克风的附加动态压力传感器附加地位于流中，以检测可引起叶片振动的旋转事件的形成。可能从压力信号确定频率，其能够转变成部分速度，且将其表示为图4a,4b和4c中的球体。来自压力传感器的幅度因此在图4a,4b和4c中用于限定各个图表上的灰色球的大小。

然后，对于如图4a所示的+60度注射、如图4b所示的没有注射和如图4c所示的-60度注射，作出了部分速度和振幅对体积流的图示，其中，体积流限定为离开末级的平均轴向流速除以叶片根部速度。

在各种情况下，发现测得的高振幅事件与较高的动态压力幅度和其频率散布损失一致。如图4a可见，其中+60度下的注射在与图4b所示的没有注射的情况相比时看起来增大了振幅。如图4c可见，利用-60的注射角度，可能消除叶片振动。如图5进一步所示，负的注射率具有即使在很浅的注射角度下也减小相对动态应力的积极效果。

根据实施例，从通路20注射的优选为蒸汽的流体使得入射在转子叶片2上的注射角度形成从零到-90度的角度，负的角度在与涡轮转子旋转相反的方向上获得。根据本发明的另一个实施例，优选的注射角度范围为-45到-75度，最优选的注射角度是-60度。根据本发明的又一个实施例。从通路20注射的流直到主流的10%。

相对于转子叶片2的数目，通路20的数目设置成提供旋转事件的充分稳定性。在给定的测试结果的情况下，使用了12个通路。本发明的其它实施例可使用不同数目的通路来获得充分稳定性。

在本发明的实施例中，通路围绕圆周等距间隔开。在备选实施例中，通路围绕圆周不均匀地间隔开，以用于提高性能和用于实际考虑。

与注射角度一起，吹送到转子叶片2上的流体速度也是重要的。

因此，以下参数影响本发明的构造10的性能：保持从通路20吹送的流体的轨迹长度尽可能小；保持注射流体的速度尽可能高；和使导叶托架1中的通路20的周向范围最大化。

难以评估以上引用的参数，且因此，不同的最佳绝对注射角度存在，且必须对各个特定情况进行计算。

根据本发明的一个实施例，如图2所示，通路20沿周向定形为增大导叶托架1的周向覆盖。

利用本发明的构造10，实现了转子叶片2振动及其临界共振的大幅最小化。此外，控制旋转流不稳定性的通路20的使用构成了控制流不稳定性旋转问题的方式，且不会导致设计满负载状态下的效率损失。

尽管已经结合优选实施例完整地描述了本发明，但很明显，改型可引入其范围内，不将这看作是由这些实施例限制，而是由以下权利要求的内容限制。