CN102588017A

CN102588017A - 蒸汽涡轮机的排气装置

Info

Publication number: CN102588017A
Application number: CN2012100093312A
Authority: CN
Inventors: 水见俊介; 绪方康二; 工藤健; 西岛规世; 恩田佳明
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2011-01-14
Filing date: 2012-01-12
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2032-01-12
Also published as: JP2012145081A; EP2476868A3; CN102588017B; KR20120090789A; US9033656B2; JP5499348B2; EP2476868A2; EP2476868B1; US20120183397A1

Abstract

本发明提供如下的蒸汽涡轮机的排气装置，通过提高高压涡轮机或中压涡轮机的环状导流件的功能，抑制排气室内的流动的混乱，结果进一步降低压力损失，从而能够提高涡轮机成套设备的效率。将现有技术的导流件(5A)的形状(上下对称)做成导流件下游部(5d)的长度比导流件上游部(5u)的长度长的导流件(5)的形状(上下非对称)。通过数值分析，将现有技术的导流件占有比的最佳值及对应的全压损失系数设为基准值。并且，将导流件上游部(5u)的导流件占有比设定为0.4，将导流件下游部(5d)的导流件占有比设定为0.7，以使全压损失系数未满现有技术的最佳值。由此，能够提高环状导流件的整流功能。

Description

蒸汽涡轮机的排气装置

技术领域

本发明涉及从排气管排出经过了蒸汽涡轮机的转子的蒸汽气流的涡轮机排气装置，特别是涉及高压或中压涡轮机的排气装置。

背景技术

利用锅炉等的蒸汽发生器产生的蒸汽使涡轮机旋转而发电的发电设备一般由高压涡轮机、中压涡轮机或低压涡轮机等相应于蒸汽压力的多个涡轮机构成。从高压涡轮机依次经过直到低压涡轮机而结束了旋转作业的蒸汽最终被导入冷凝器，在此凝结为冷凝水，再次回流到蒸汽发生器。

在紧接着高、中、低压涡轮机的各出口的后边具备引导到更低压侧的涡轮机或冷凝器等的后段的设备的涡轮机排气装置。涡轮机排气装置具有在覆盖涡轮机转子的内部壳体和进一步覆盖内部壳体的外部壳体之间形成的排气室，经过了涡轮机转子的蒸汽通过该排气室被引导到后段的设备。

通常，该排气室由于使从涡轮机流出的轴流方向的蒸汽气流在非常短的距离转向为与此成直角的方向，因此会扰乱蒸汽的流动，容易产生压力损失。特别是，高压涡轮机或中压涡轮机的排气室相比于低压涡轮机的排气室流路尺寸小，并且为了能够承受压力，高压涡轮机或中压涡轮机的各部件做成比低压涡轮机的各部件厚，其结果，高压涡轮机或中压涡轮机的排气室相比于低压涡轮机的排气室也容易受到凸缘等内部部件的影响。

相对于此，例如，具有如下的现有技术(专利文献1)，以与涡轮机最终段动叶片出口部的叶片前端部侧连接的方式设置环状的导流件，通过利用该导流件引导蒸汽气流，实现减轻蒸汽气流的混乱。专利文献1的导流件是组合凸形曲线状的凸缘和圆盘状的蒸汽导向件做成环状导流件，但在实际机器中使用喇叭状的环状导流件的情况也较多。

但是，低压涡轮机的导流件具有将动能变换为压能的扩散器的功能。另外，低压涡轮机的排气室空间上的制约比高压涡轮机或中压涡轮机的排气室少。因此，为了提高扩散器功能，提出了上下不对称(上侧长)的导流件(专利文献2)。

专利文献

专利文献1：日本特开2007-40228号公报

专利文献2：日本特许3776580号公报

另一方面，高压涡轮机或中压涡轮机的排气室在空间上的制约(流道尺寸、各部件厚度)比低压涡轮机的排气室多。若使环状导流件过大(长)会堵塞流道，成为性能劣化的主要原因。因此，以前的高压涡轮机及中压涡轮机的导流件的大部分是呈在圆周方向大致相同(上下对称)的截面形状，难以想到改变该形状的想法。

另外，高压涡轮机或中压涡轮机的排气室相比于低压涡轮机的排气室，轴向的距离短，不能获得充分的扩散器功能。因此，在现有技术中，即使提出在低压涡轮机的导流件改变形状的方案，也难以立刻想到适用于高压涡轮机及中压涡轮机的导流件的想法。

发明内容

但是，本申请的发明人着眼于这一点，进行了详细的三维流体分析的结果，发现了导流件相对于流道空间的占有比对导流件的降低压力损失性能带来较大的影响，现有的导流件不能最大限度地发挥其功能的课题。

本发明的目的在于提供如下的蒸汽涡轮机的排气装置，通过高压涡轮机或中压涡轮机的环状导流件的功能，抑制排气室内的流动的混乱，结果能够进一步降低压力损失，提高涡轮机成套设备的效率。

(1)为了达到上述目的，本发明的蒸汽涡轮机的排气装置具备：内部包含涡轮机转子的排气室内部壳体；包围该排气室内部壳体而形成排气室的排气室外部壳体；以及在固定于涡轮机转子上的、构成最终段的动叶片的下游，与上述排气室内部壳体的外周部连续地设置的环状导流件，将驱动高压涡轮机或中压涡轮机后的排气经由排气管引导到后方的涡轮机，上述导流件具有位于排气管侧的导流件下游部、和位于排气管相反侧的导流件上游部，上述导流件下游部的长度形成为比上述导流件上游部的长度长。

相比于排气室上游侧，在排气室下游侧，由于具有与排气管的接合部，因此空间上的制约少，即使将导流件变长，流道也不会被堵塞。因此，能够将导流件下游部的长度变长。其结果，能够提高导流件的整流功能。

(2)在上述(1)中，优选在从与转子轴正交的截面上的转子中心放射状地画出的假想线上，将从上述导流件的根部至前端部的距离定义为第一距离，将从上述导流件的根部至排气室外部壳体内壁面的距离定义为第二距离，将第一距离相对于第二距离的比定义为导流件占有比，上述导流件形成为上述导流件下游部的导流件占有比大于上述导流件上游部的占有比。

由此，能够提高导流件的整流功能。

(3)在上述(2)中，优选上述导流件下游部与上述导流件上游部之间的导流件占有比是连续的。

若导流件下游部与上述导流件上游部之间的导流件占有比不连续，则成为突起形状等，会成为蒸汽气流的障碍。

(4)在上述(2)中，优选上述导流件下游部的导流件占有比为0.6以上且0.7以下，上述导流件上游部的导流件占有比为0.3以上且0.6以下。

通过如此地设定导流件占有比，相比于现有技术，能够降低压力损失。

(5)在上述(4)中，优选上述导流件上游部的导流件占有比为0.5以上且0.6以下。

本发明的效果如下。

根据本发明，通过提高高压涡轮机及中压涡轮机的环状导流件的功能，抑制排气室内的流动的混乱，结果进一步降低压力损失，从而能够提供涡轮机成套设备的效率。

附图说明

图1是表示蒸汽涡轮机的高中压部的大致结构的剖视图。

图2是表示排气室的详细结构的纵剖视图。

图3是表示排气室的详细结构的横剖视图(第一实施方式)。

图4是表示排气室的详细结构的横剖视图(现有技术)。

图5是表示数值分析结果(分析1)的图。

图6是排气室放大纵剖视图。

图7是排气室放大横剖视图。

图8是表示数值分析结果(分析2)的图。

图9是表示基于数值分析结果的导流件的形状的一例的图(第一实施方式)。

图10是表示基于数值分析结果的导流件的形状的一例的图(第二实施方式)。

图11是表示排气室的详细结构的横剖视图(第二实施方式)。

图12是表示基于数值分析结果的导流件的形状的一例的图(第三实施方式)。

图13是表示排气室的详细结构的横剖视图(第三实施方式)。

图14是表示基于数值分析结果的导流件的形状的一例的图(第四实施方式)。

图15是表示排气室的详细结构的横剖视图(第四实施方式)。

图中：

1-外部壳体，2-内部壳体，3-涡轮机转子，4-动叶片(最终段)，5、5A～D-导流件，5u-导流件上游部，5d-导流件下游部，11-高压入口部，12-高压排气室，13-高压排气管，14-高压涡轮机段，21-再热入口管，22-中压排气室，23-中压排气管，24-中压涡轮机段，25-抽气管，I-假想线上，a-第一距离，b-第二距离。

具体实施方式

第一实施方式

(结构)

图1是表示适用本发明的蒸汽涡轮机的高中压部的大致结构的剖视图。从高压入口部11流入的蒸汽在高压涡轮机段14进行作业后经过高压排气室12向高压排气管13流出。经过高压排气管13从高压排气室12流出的蒸汽经过锅炉(未图示)从再热入口管21流入中压涡轮机段24，在中压涡轮机段24进行作业后经过中压排气室22向中压排气管23流出。另一方面，通过抽气管25被抽出的蒸汽被引导到加热器而被加热。

排气装置具备覆盖蒸汽涡轮机的涡轮机转子3的内部壳体2、及覆盖该内部壳体2的外部壳体1。

高压排气室12及中压排气室22形成于外部壳体1与内部壳体2之间。以下说明高压排气室12，对于中压排气室22也是相同。

图2是表示排气室12的详细结构的纵剖视图，图3是表示排气室12的详细结构的横剖视图。

排气室12通过设在排气室12的下游侧的两根排气管13将驱动涡轮机转子3后的排气引导到下游侧的涡轮机。为了降低从涡轮机排出的蒸汽的混合引起的压力损失，在固定于涡轮机转子3的、构成最终段的动叶片4的下游侧设有与内部壳体2的外周部连续地设置的环状的导流件5。

导流件5通过从连接于内部壳体2的根部以规定的曲率向下游侧及轴外方向突出，形成为喇叭状。

本实施方式的特征在于导流件5的形状。导流件5形成为位于排气管13侧的导流件下游部5d的长度比位于排气管13相反侧的导流件上游部5u的长度长。

(动作)

从最终段动叶片4流出的蒸汽气流由导流件5引导。由导流件上游部5u引导的蒸汽气流沿着外部壳体1内壁面被引导到下游，并且被引导到排气管13。由导流件下游部5d引导的蒸汽气流被引导到排气管13。此时，导流件下游部5d防止流动的混合(整流功能)。

(数值分析)

本申请的发明人着眼于导流件5的形状，进行了详细的数值分析(CFD分析)。

图4是表示现有技术的具备上下对称的导流件5A的排气室12的详细结构的横剖视图。首先，研究了现有技术的导流件5A的最适当的大小(长度)(分析1)。

图5是表示分析1的结果的图。在横轴记载有导流件占有比，在纵轴记载有损失系数。但是，图示的全压损失系数以最大值为基准而被标准化(各值/最大值)。

导流件占有比是以下说明的本实施方式的重要概念。

图6是用于说明导流件占有比的排气室放大纵剖视图，图7是排气室放大横剖视图。

在图7中，从转子中心放射状地画假想线I。在图6中，将投影到假想线I上的、从导流件的根部到前端部的距离定义为第一距离a，将投影到假想线I上的、从导流件的根部到外部壳体1内壁面的距离定义为第二距离b。并且，将第一距离对于第二距离的比a/b定义为导流件占有比。即，导流件占有比是表示导流件的长度的指标。

并且，在排气室12与排气管13的接合部中，外部壳体1未连续。图7的外部壳体1内壁面呈包含图示为圆弧形状的虚线部分(假想内壁面)的圆形状。从而，第二距离b处理为一定。

全压损失系数是以(排气室入口全压-排气室出口全压)/排气室入口动压表示压力损失的指标。指标越小、压力损失越小而较为理想。此外，图5中以规格化表示。

返回到图5，说明分析结果。在导流件占有比在0.3～0.5时，导流件的长度短，不能获得充分的整流功能，但在导流件占有比在0.5～0.7附近时，通过防止流动的混合能够降低压力损失，若导流件占有比超过0.7，则流道被堵塞，相反地观察到压力损失增加的倾向。因此，现有技术的上下对称的导流件5A的导流件占有比为0.6(全压损失系数0.48)最佳。

因此，将现有技术的最佳值0.48作为基准值，研究了使全压损失系数未满基准值的导流件5的形状。

图8是表示分析2的结果的图。在横轴记载有导流件占有比，在纵轴记载有全压损失系数(与图5同样地进行标准化表示)。附记基准值。导流件占有比记载为以直线连接导流件上游部5u与导流件下游部5d的组合。

在分析2中，导流件上游部5u与导流件下游部5d如下定义。在图7中，排气管13的相反侧设定为θ＝0，以圆周方向角θ表示在导流件5中的位置。导流件上游部5u是θ为0～80°附近的范围，导流件下游部5d是100～180°附近的范围(左右对称)。

返回到图8，说明分析结果。若导流件下游部5d的导流件占有比未满0.6，则与导流件上游部5u的导流件占有比无关地全压损失系数不成为未满基准值。因此，导流件下游部5d的导流件占有比的下限值为0.6。

另一方面，研究导流件下游部5d的导流件占有比为0.6以上的情况。在导流件下游部5d的导流件占有比为0.7时，能够进一部降低压力损失，但在0.8时，压力损失稍微增加。

对该倾向而言，与排气室12上游侧相比，在排气室12下游侧，由于具有与排气管13的接合部，因此空间上的制约少，其结果可以期待能够增大导流件占有比、提高整流功能的效果。另一方面，若导流件占有比超过0.8，则流道被堵塞，相反地增加压力损失。因此，优选导流件下游部5d的导流件占有比的上限值设为0.7。

接下来，研究导流件上游部5u的导流件占有比。根据分析1的结果，将导流件上游部5u的导流件占有比的上限值设为0.6。另一方面，可以确认若导流件下游部5d的导流件占有比为0.6以上且0.7以下，则在导流件上游部5u的导流件占有比为0.3的情况下，全压损失系数也未满基准值。因此，将导流件上游部5u的导流件占有比的下限值设为0.3。

导流件5的形状根据分析1及分析2的结果来设定。

图9是表示导流件5的形状的一例的图。导流件上游部5u(0～80°)的导流件占有比设定为0.4，导流件下游部5d(100～180°)的导流件占有比设定为0.7，其间(80～100°)的导流件占有比在0.4～0.7之间连续，且缓慢地单调增加。其结果，导流件5的横剖视图如图3所示。

此外，虽然说明了导流件占有比的曲线图仅由直线构成的情况，当然并不限于此。

(效果)

在本实施方式中，将现有技术的导流件5A的形状(上下对称)做成导流件下游部5d的长度比导流件上游部5u的长度长的导流件5的形状(上下非对称)。并且，根据数值分析，以使全压损失系数未满现有技术的最佳值的方式设定导流件上游部5u的导流件占有比与导流件下游部5d的导流件占有比。

由此，能够提高环状导流件的整流功能，抑制排气室内的流动的混乱。

全压损失系数未满现有技术的最佳值，通过压力损失降低，能够提高涡轮机成套设备的效率。

第二实施方式

在第一实施方式中，将100～180°附近作为导流件下游部5d，并将导流件下游部5d的导流件占有比设为0.7，但也可以将相当于与排气管13的接合部的100～150°附近作为导流件最下游部5d1，并将导流件最下游部5d1的导流件占有比设为0.7。

图10是表示导流件5B的形状的一例的图。将导流件上游部5u(0～80°)的导流件占有比设定为0.4，将导流件最下游部5d1(100～150°)的导流件占有比设定为0.7，将导流件下游部5d2(170～180°)的导流件占有比设定为0.4，其间(80～100°及150～170°)的导流件占有比在0.4～0.7之间连续。其结果，导流件5B的横剖视图如图11所示。

在第二实施方式中也能获得与第一实施方式相同的效果。

第三实施方式

在第一实施方式及第二实施方式中，将本申请的发明适用于在下游侧设有两根排气管13的排气室12，但也可以适用于设有一根排气管13的排气室12。

图12是表示导流件5C的形状的一例的图。将导流件上游部5u(0～120°)的导流件占有比设定为0.4，将导流件下游部5d(160～180°)的导流件占有比设定为0.7，其间(120～160°)的导流件占有比在0.4～0.7之间连续。其结果，导流件5C的横剖视图如图13所示。

在第三实施方式中也能获得与第一实施方式相同的效果。

第四实施方式

为了便于说明，在上述说明中省略了关于抽气管25的说明，但也可以适用于设置了抽气管12的排气室12。本实施方式是在第三实施方式的排气管13的相反侧设置了抽气管25的结构。

图14是表示导流件5D的形状的一例的图。将导流件最上游部5u1(0～10°)的导流件占有比设定为0.7，将导流件上游部5u2(30～120°)的导流件占有比设定为0.4，将导流件下游部5d(160～180°)的导流件占有比设定为0.7，其间(10～30°及120～160°)的导流件占有比在0.4～0.7之间连续。其结果，导流件5D的横剖视图如图15所示。

在第四实施方式中也能获得与第一实施方式相同的效果。

Claims

1.一种蒸汽涡轮机的排气装置，具备：内部包含涡轮机转子的排气室内部壳体；包围该排气室内部壳体而形成排气室的排气室外部壳体；以及在固定于涡轮机转子上的、构成最终段的动叶片的下游，与上述排气室内部壳体的外周部连续地设置的环状导流件，将驱动高压涡轮机或中压涡轮机后的排气经由排气管引导到后方的涡轮机，上述蒸汽涡轮机的排气装置的特征在于，

上述导流件具有位于排气管侧的导流件下游部、和位于排气管相反侧的导流件上游部，上述导流件下游部的长度形成为比上述导流件上游部的长度长。

2.根据权利要求1所述的蒸汽涡轮机的排气装置，其特征在于，

在从与转子轴正交的截面上的转子中心放射状地画出的假想线上，将从上述导流件的根部至前端部的距离定义为第一距离，将从上述导流件的根部至排气室外部壳体内壁面的距离定义为第二距离，将第一距离相对于第二距离的比定义为导流件占有比，

上述导流件形成为上述导流件下游部的导流件占有比大于上述导流件上游部的占有比。

3.根据权利要求2所述的蒸汽涡轮机的排气装置，其特征在于，

上述导流件下游部与上述导流件上游部之间的导流件占有比是连续的。

4.根据权利要求2所述的蒸汽涡轮机的排气装置，其特征在于，

上述导流件下游部的导流件占有比为0.6以上且0.7以下，

上述导流件上游部的导流件占有比为0.3以上且0.6以下。

5.根据权利要求4所述的蒸汽涡轮机的排气装置，其特征在于，

上述导流件上游部的导流件占有比为0.5以上且0.6以下。