CN109751089A - 一种向心式汽轮机可调喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种向心式汽轮机可调喷嘴，包括汽轮机蜗壳、可调喷嘴叶栅、调节机构和汽轮机叶轮；可调喷嘴叶栅由喷嘴安装盘以及沿周向均匀布置的多个喷嘴叶片构成，喷嘴安装盘与汽轮机蜗壳固定；在喷嘴安装盘相对于喷嘴叶片的另一侧安装有调节机构，调节机构由调节环、拨销、柱销和驱动机构构成；其中拨销固定于喷嘴叶片靠近尾缘的位置并嵌套于调节环滑槽中，柱销和喷嘴安装盘固定，并穿过喷嘴叶片靠近前缘处的定位孔；驱动机构与汽轮机蜗壳固定，并通过齿轮来驱动调节环转动。本发明能够通过调节喷嘴安装角，使向心式汽轮机进气流量在偏离设计流量时，仍然保持高运行效率，从而适应汽轮机变工况时流量的变化，实现较好的可调节性。

Description

一种向心式汽轮机可调喷嘴

技术领域

本发明属于叶轮机械及动力设备的技术领域。具体地，本发明涉及一种向心式汽轮机可调喷嘴。

背景技术

随着国家制订了越来越严格的控制空气污染的政策，各式各样的高耗能燃煤工业锅炉亟待加以改造升级。这些锅炉广泛分布在造纸、印染、纺织、化工、石油等行业中，为生产过程提供蒸汽，平均蒸发量仅为约11吨每小时，实际运行效率只有65%左右。在很多情况下锅炉所产生的蒸汽需要进行减温减压以满足下游生产要求，使得高压蒸汽较高品位的能量并未得到利用而直接降至较低压力，形成严重浪费。

针对上述工业锅炉的改造升级需求，一种能显著提高能源利用率并产生良好经济效益的热电联产方式是将工业锅炉产生的蒸汽经背压式汽轮机发电后，再以用户需要的背压输送至下游生产过程。目前此类背压式汽轮机多为多级轴流式结构，其结构与大功率机型相似，由于工业锅炉的蒸发量和对应发电量较低，这类机型单位千瓦制造成本较高。此外，在各类生产过程中下游用汽量通常存在较大波动，为实现汽轮机流量的对应调节，轴流式背压汽轮机第一级往往为调节级，该级效率较低，从而限制了背压式汽轮机的整体运行效率。

除了轴流式背压汽轮机外，另一种结构较为简单，制造成本较低的方式为采用向心背压式汽轮机，整机体积小，安装布置灵活，土建工作量小。但由于向心式汽轮机多为单级结构，其喷嘴和叶轮造型的设计都基于设计点参数。当用气量出现波动时，适应性较差。如采用进口调节阀节流的方式来改变流量，又会由于阀门的减压造成蒸汽做功能力大幅下降，影响汽轮机整体效率。因此，要想实现向心背压式汽轮机配合工业锅炉这种热电联产方式的高效可靠运行并具备广泛推广意义，就需要发展新的向心背压式汽轮机流量调节方式，从而在保持汽轮机转速不变的情况下，当下游用气量出现波动时，汽轮机能够及时适应流量变化并仍能保持较高的整体运行效率。

发明内容

本发明提供一种向心式汽轮机可调喷嘴，其目的是通过改变喷嘴叶片安装角来调整喷嘴喉部面积，从而实现向心式汽轮机的流量调节并保持汽轮机较高的运行效率。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：本发明的向心式汽轮机可调喷嘴，包括汽轮机蜗壳、可调喷嘴叶栅、调节机构和汽轮机叶轮；可调喷嘴叶栅由喷嘴安装盘以及沿周向均匀布置的多个喷嘴叶片构成，喷嘴安装盘与汽轮机蜗壳固定；在喷嘴安装盘相对于喷嘴叶片的另一侧安装有调节机构，调节机构由调节环、拨销、柱销和驱动机构构成；其中拨销固定于喷嘴叶片靠近尾缘的位置并嵌套于调节滑槽中，柱销和喷嘴安装盘固定，并穿过喷嘴叶片靠近前缘处的定位孔；驱动机构与汽轮机蜗壳固定，通过齿轮来驱动调节环转动；每个喷嘴叶片通过柱销与喷嘴安装盘固定，并能够绕柱销转动；拨销和调节环的调节滑槽构成摩擦副，驱动机构通过齿轮驱动调节环转动，调节环转动后，通过调节滑槽驱动拨销及喷嘴叶片共同绕柱销转动，从而实现调节喷嘴叶片相对于圆周切线方向安装角的目的。

所述的可调喷嘴叶栅存在最大和最小开度；所述可调喷嘴叶栅的最大和最小开度分别对应喷嘴叶片相对于圆周切线方向安装角的最大值和最小值；所述可调喷嘴叶栅的最大和最小开度状态下，拨销应分别位于调节滑槽的两端位置。

所述的可调喷嘴叶栅在最大开度下，其尾缘位置相对向心式汽轮机轴心的直径不小于汽轮机叶轮进口直径的1.015倍，以保证喷嘴和叶轮之间有足够间隙；所述的可调喷嘴叶栅在最大开度下，其前缘位置相对向心式汽轮机轴心的直径不大于汽轮机蜗壳的排气出口处直径，以保证喷嘴叶片在旋转时不会受到汽轮机蜗壳的阻挡。

所述的调节环绕向心式汽轮机轴心转过一定角度时，通过调节滑槽驱动喷嘴叶片，使喷嘴叶片相对于圆周切线方向的安装角也转至另一角度；所述的喷嘴叶片安装角的变化量与调节环转过的角度之间为线性关系。

所述的调节环具有弧形的调节滑槽，拨销嵌套于调节滑槽中并在绕柱销转动时受调节滑槽形状和位置的限制；所述的调节滑槽的数量与喷嘴叶片的数量相同，可驱动所有喷嘴叶片共同改变安装角，每个调节滑槽相对于汽轮机轴心所形成的角度范围小于360°/Z，Z为喷嘴叶片的数量。

本发明的关键在于确定调节滑槽的形状和其在调节环上的位置。根据调节结构的工作原理，调节滑槽的宽度不小于拨销的直径，以保证拨销在调节滑槽中移动时有足够间隙，不会被卡死。调节滑槽的中心轨迹则通过拨销在绕柱销转动时相对于调节环所形成的移动轨迹来确定，这一轨迹可由喷嘴叶片安装角的变化量、调节环转动的角度、柱销的中心距汽轮机轴心的距离以及拨销和柱销之间的中心距来确定，具体计算方法如下：

其中，Rc为柱销中心与汽轮机轴心之间的距离，L为拨销和柱销之间的中心距，β0为可调喷嘴叶栅在最大开度时，拨销和柱销的中心连线与圆周切线方向形成的夹角。γ为可调喷嘴叶栅在某一开度状态下，喷嘴叶片的安装角相比于最大开度时的减小量，α为此开度时调节环相比于最大开度时所转过的角度，R为此时拨销中心与汽轮机轴心之间的距离，φ为拨销中心相比于最大开度时所转过的角度。当γ值确定时，因α与γ为线性关系，则α值也确定，R和φ值可通过以上两式计算得到。从可调喷嘴叶栅的最大开度至最小开度，对于每一个确定的γ值，都可计算出相应的R和φ值，这样就得到了以汽轮机轴心为原点的极坐标系下R=f(φ)的对应关系，即为拨销相对于调节环所形成的移动轨迹，从而确定了调节滑槽的中心轨迹。

本发明采用上述技术方案，能在最大和最小开度之间连续调整喷嘴叶片的安装角，从而改变喷嘴的喉部面积，使得在进汽温度和压力不变的情况下，向心式汽轮机的流量能够实现从最大流量到最小流量的连续调节，从而适应下游用气流量的波动；由于调节环的转动角度和喷嘴叶片安装角的变化量设定为线性关系，外部的控制机构可以简单可靠地根据需求来调整喷嘴叶片安装角，简化了控制规律；此外，向心式汽轮机流量由喷嘴安装角来调节，配合适当的喷嘴叶型设计，可以使喷嘴及叶轮在较宽的流量范围内都保持较高效率，不再需要通过汽轮机进气调节阀减压的方式来改变流量，避免了蒸汽做功能力的损失，因此能够在最小流量至最大流量范围内均保持较高的汽轮机整体运行效率。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图，可作为说明书摘要的附图；

图2是图1沿A-A截面的剖视图；

图3是本发明的喷嘴叶片零件剖视图；

图4是本发明的喷嘴叶栅在最大开度和最小开度时的示意图；

图5是本发明的调节机构示意图；

图6是本发明的调节机构和喷嘴叶片运动机构原理图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

本发明所述的向心式汽轮机可调喷嘴的整体结构示意图如图1所示，包括汽轮机蜗壳(1)、可调喷嘴叶栅(2)、调节机构(3)和汽轮机叶轮(4)，其中1-1截面的剖视图如图2所示。可调喷嘴叶栅(2)由喷嘴安装盘(5)以及沿周向均匀布置的多个喷嘴叶片(6)构成，喷嘴安装盘(5)与汽轮机蜗壳(1)固定。在喷嘴安装盘(5)相对于喷嘴叶片(6)的另一侧安装有调节机构(3)，调节机构(3)由调节环(7)、拨销(8)、柱销(9)和驱动机构(10)构成。其中拨销(8)固定于喷嘴叶片(6)靠近尾缘的位置并嵌套于调节滑槽(7a)中，柱销(9)和喷嘴安装盘(5)固定，并穿过喷嘴叶片(6)靠近前缘处的定位孔(9a)；驱动机构(10)与汽轮机蜗壳(1)固定，通过齿轮来驱动调节环(7)转动。每个喷嘴叶片(6)通过柱销(9)与喷嘴安装盘(5)固定，并能够绕柱销(9)转动。拨销(8)和调节环(7)的调节滑槽(7a)构成摩擦副，驱动机构(10)通过齿轮驱动调节环(7)转动，再由调节滑槽(7a)驱动拨销(8)及喷嘴叶片(6)共同绕柱销(9)转动。

如图4所示，可调喷嘴叶栅(2)存在最大和最小开度，并分别对应喷嘴叶片(6)相对于圆周切线方向安装角的最大值和最小值。可调喷嘴叶栅(2)在最大和最小开度状态下，拨销(8)应分别位于调节滑槽(7a)的两端位置。

图4中，可调喷嘴叶栅(2)在最大开度时，喷嘴叶片(6)的尾缘位置相对向心式汽轮机轴心的直径不小于汽轮机叶轮(4)进口直径的1.015倍，以保证喷嘴和叶轮之间有足够间隙，防止叶轮旋转时与喷嘴叶片发生剐蹭。同时，可调喷嘴叶栅(2)在最大开度下，喷嘴叶片(6)的前缘位置相对向心式汽轮机轴心的直径不大于汽轮机蜗壳(1)的排气出口处直径，以保证喷嘴叶片(6)在旋转时不会受到汽轮机蜗壳(1)的阻挡。

如图5所示，调节环(7)具有弧形的调节滑槽(7a)，拨销(8)嵌套于调节滑槽(7a)中并在绕柱销(9)转动时受调节滑槽(7a)形状和位置的限制。调节环(7)绕向心式汽轮机轴心转过一定角度时，通过调节滑槽(7a)驱动拨销(8)连同喷嘴叶片(6)一同绕柱销(9)转动，使喷嘴叶片(6)相对于圆周切线方向的安装角转至另一角度。喷嘴叶片(6)安装角的变化量与调节环(7)转过的角度之间为线性关系。调节环(7)的调节滑槽(7a)的数量与喷嘴叶片(6)数量相同，可驱动所有喷嘴叶片(6)共同改变安装角，并且每个调节滑槽相对于汽轮机轴心所形成的角度范围小于360°/Z，Z为喷嘴叶片(6)的数量。

本发明的关键在于确定调节滑槽(7a)的形状和其在调节环(7)上的位置。根据图5所示的调节结构(3)的工作原理，调节滑槽(7a)的宽度不小于拨销(8)的直径，以保证拨销(8)在调节滑槽(7a)中移动时有足够间隙，不会被卡死。调节滑槽(7a)的中心轨迹则通过拨销(8)在绕柱销(9)转动时相对于调节环(7)所形成的移动轨迹来确定。如图6所示，这一轨迹可由喷嘴叶片(6)安装角的变化量、调节环(7)转动的角度、柱销(9)的中心距汽轮机轴心的距离以及拨销(8)和柱销(9)之间的中心距来确定，具体计算方法如下：

图6中，A和C分别表示可调喷嘴叶栅(2)在最大开度时拨销(8)和柱销(9)的中心位置。Rc为柱销(9)中心与汽轮机轴心之间的距离，L为拨销(8)中心和柱销(9)中心之间的距离，β0为可调喷嘴叶栅(2)在最大开度时，拨销(8)和柱销(9)的中心连线与圆周切线方向形成的夹角。当可调喷嘴叶栅(2)由最大开度转至某一较小开度时，拨销(8)和柱销(9)的中心位置分别移至图6中的A'和C'。γ为在此开度状态下，喷嘴叶片(6)的安装角相比于最大开度时的减小量，由于图6中A'C'连线即表示了叶片安装方向，因此在图中γ=β0-β。α为此开度时调节环(7)相比于最大开度时所转过的角度，R为此时拨销(8)中心与汽轮机轴心之间的距离，φ为拨销(8)中心相比于最大开度时所转过的角度。当γ值确定时，因α与γ为线性关系，则α值也确定，R和φ值可通过以上两式计算得到。从可调喷嘴叶栅(2)的最大开度至最小开度，对于每一个确定的γ值，都可计算出相应的R和φ值，这样就得到了以汽轮机轴心为原点的极坐标系下R=f(φ)的对应关系，即为拨销(8)相对于调节环(7)所形成的移动轨迹，从而确定了调节滑槽(7a)的中心轨迹。

具体实施案例：

某向心式背压汽轮机，设计蒸汽流量为23 t/h，进气压力2.35 MPa，进气温度400℃，排气压力0.6 MPa，排气温度约为265℃。汽轮机喷嘴叶片数为17，叶轮叶片数为13，叶轮转速30000 rpm，在设计状态下喷嘴叶片相对于圆周切向的安装角约为24°。

为保证汽轮机的流量范围满足实际需求，采用本发明所述的可调喷嘴。将设计状态下的喷嘴安装角度设定为0°，并将喷嘴喷嘴叶片相对于圆周切向安装角减小的方向(即开度减小)定义为角度调整的正方向。考虑到汽轮机蜗壳和叶轮的直径限制，喷嘴安装角度的调节区间设定为-2°(最大开度)至+6°(最小开度)，共8°调节范围，这样在设计状态下喷嘴叶片开度既能减小也能继续增大，使汽轮机流量能根据需要来进行调节。调节环的调节滑槽数量与喷嘴叶片数相同，其转动角度范围设定为16°，即保持与喷嘴安装角度变化量1:2的线性关系。柱销中心位于距喷嘴叶片前缘约30%弦长处，拨销距喷嘴叶片尾缘约30%弦长。

根据对汽轮机设计点的计算，在设计流量(23 t/h)下，汽轮机输出功率约为2027kW，效率达到90.7%。通过可调喷嘴装置，改变喷嘴安装角至最大开度(-2°)时，通过重新对汽轮机的计算，得到此时汽轮机流量达到26.4 t/h(设计流量的115%)，功率为2207 kW，效率为89.4%。将喷嘴安装角调至最小开度下的+6°时，汽轮机流量则降至11.0 t/h，功率为906 kW，效率为84.1%。通过对各喷嘴安装角度的分别计算可以得到，从-2°至+6°，汽轮机从最大流量至最小流量的变化基本与喷嘴安装角度的变化保持线性关系。当汽轮机流量降至11.0 t/h，即设计流量的48%时，仍能保持84.1%的整体运行效率。这样，通过本发明所述的可调喷嘴装置，在进气条件不变的情况下，该向心式汽轮机既能通过改变喷嘴安装角使流量高于设计点，也能降至设计流量的50%左右，而运行效率最低仅下降6%左右，仍具有较高效率。这一流量范围基本满足了下游生产过程对蒸汽用量波动的要求，并在全流量范围保持汽轮机高效运行，避免了因使用进气调节阀节流，导致汽轮机在小流量下整体效率急剧降低的情况，使向心式汽轮机在实际运行中产生良好的经济效益。

以上结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明的具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种向心式汽轮机可调喷嘴，包括汽轮机蜗壳(1)、可调喷嘴叶栅(2)、调节机构(3)和汽轮机叶轮(4)，其特征在于：可调喷嘴叶栅(2)由喷嘴安装盘(5)以及沿周向均匀布置的多个喷嘴叶片(6)构成，喷嘴安装盘(5)与汽轮机蜗壳(1)固定；在喷嘴安装盘(5)相对于喷嘴叶片(6)的另一侧安装有调节机构(3)，调节机构(3)由调节环(7)、拨销(8)、柱销(9)和驱动机构(10)构成；其中拨销(8)固定于喷嘴叶片(6)靠近尾缘的位置并嵌套于调节滑槽(7a)中，柱销(9)和喷嘴安装盘(5)固定，并穿过喷嘴叶片(6)靠近前缘处的定位孔(9a)；驱动机构(10)与汽轮机蜗壳(1)固定，通过齿轮来驱动调节环(7)转动；每个喷嘴叶片(6)通过柱销(9)与喷嘴安装盘(5)固定，并能够绕柱销(9)转动；拨销(8)和调节环(7)的调节滑槽(7a)构成摩擦副，驱动机构(10)通过齿轮驱动调节环(7)转动，调节环(7)转动后，通过调节滑槽(7a)驱动拨销(8)及喷嘴叶片(6)共同绕柱销(9)转动，从而实现调节喷嘴叶片(6)相对于圆周切线方向安装角的目的。

2.根据权利要求1所述的向心式汽轮机可调喷嘴，其特征在于：所述的可调喷嘴叶栅(2)存在最大和最小开度；所述可调喷嘴叶栅(2)的最大和最小开度分别对应喷嘴叶片(6)相对于圆周切线方向安装角的最大值和最小值；所述可调喷嘴叶栅(2)的最大和最小开度状态下，拨销(8)应分别位于调节滑槽(7a)的两端位置。

3.根据权利要求2所述的向心式汽轮机可调喷嘴，其特征在于：所述的可调喷嘴叶栅(2)在最大开度下，其尾缘位置相对向心式汽轮机轴心的直径不小于汽轮机叶轮(4)进口直径的1.015倍，以保证喷嘴和叶轮之间有足够间隙；所述的可调喷嘴叶栅(2)在最大开度下，其前缘位置相对向心式汽轮机轴心的直径不大于汽轮机蜗壳的排气出口处直径，以保证喷嘴叶片在旋转时不会受到汽轮机蜗壳的阻挡。

4.根据权利要求1所述的向心式汽轮机可调喷嘴，其特征在于：所述的调节环(7)绕向心式汽轮机轴心转过一定角度时，通过调节滑槽(7a)驱动喷嘴叶片(6)，使喷嘴叶片(6)相对于圆周切线方向的安装角也转至另一角度；所述的喷嘴叶片(6)安装角的变化量与调节环(7)转过的角度之间为线性关系。

5.根据权利要求1所述的向心式汽轮机可调喷嘴，其特征在于：所述的调节环(7)具有弧形的调节滑槽(7a)，拨销(8)嵌套于调节滑槽(7a)中并在绕柱销(9)转动时受调节滑槽(7a)形状和位置的限制；所述的调节滑槽(7a)的数量与喷嘴叶片(6)的数量相同，可驱动所有喷嘴叶片(6)共同改变安装角，每个调节滑槽相对于汽轮机轴心所形成的角度范围小于360°/Z，Z为喷嘴叶片(6)的数量。

6.根据权利要求1所述的向心式汽轮机可调喷嘴，其特征在于：所述的调节滑槽(7a)的宽度不小于拨销(8)的直径，以保证拨销(8)在调节滑槽(7a)中移动时有足够间隙；调节滑槽(7a)的中心轨迹及其在调节环(7)上的位置则通过拨销(8)在绕柱销(9)转动时相对于调节环(7)所形成的移动轨迹来确定；这一轨迹由喷嘴叶片(6)安装角的变化量、调节环(7)转动的角度、柱销(9)的中心距汽轮机轴心的距离以及拨销(8)和柱销(9)之间的中心距来确定，具体计算方法如下：

其中，Rc为柱销(9)中心与汽轮机轴心之间的距离，L为拨销(8)和柱销(9)之间的中心距，β0为可调喷嘴叶栅(2)在最大开度时，拨销(8)和柱销(9)的中心连线与圆周切线方向形成的夹角；γ为可调喷嘴叶栅(2)在某一开度状态下，喷嘴叶片(6)的安装角相比于最大开度时的减小量，α为此开度时调节环(7)相比于最大开度时所转过的角度，R为此时拨销(8)中心与汽轮机轴心之间的距离，φ为拨销(8)中心相比于最大开度时所转过的角度；当γ值确定时，因α与γ为线性关系，则α值也确定，R和φ值可通过以上两式计算得到；从可调喷嘴叶栅(2)的最大开度至最小开度，对于每一个确定的γ值，都可计算出相应的R和φ值，这样就得到了以汽轮机轴心为原点的极坐标系下R=f(φ)的对应关系，即为拨销(8)相对于调节环(7)所形成的移动轨迹，从而确定了调节滑槽(7a)的中心轨迹。