專利名稱：一種汽輪機單側(cè)排汽系統(tǒng)擴壓器端壁的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及汽輪機技術(shù)領(lǐng)域，是一種汽輪機單側(cè)排汽系統(tǒng)擴壓器端壁。
背景技術(shù)：
大功率蒸汽輪機的單側(cè)徑向排汽系統(tǒng)，作為流道末端的通流部件，用于回收末級透平出口的余速動能，在給定的排汽系統(tǒng)出口壓力的情況下降低透平的背壓，增加透平的出功，提高機組的熱效率。單側(cè)徑向排汽時，汽流從透平出口到排汽系統(tǒng)出口之間有大約90°的折轉(zhuǎn)，從而在透平出口截面產(chǎn)生非軸對稱流場，使得透平葉片在不同的周向位置感受到不同的背壓。同時，透平出口截面的流場分布也會影響排汽系統(tǒng)內(nèi)部流場，使排汽系統(tǒng)擴壓器出現(xiàn)流動分離，降低甚至完全喪失了其對末級透平出口余速動能的回收能力，使透平背壓或排汽系統(tǒng)入口壓力接近甚至高于排汽系統(tǒng)出口壓力，減少了透平出功，降低了機組熱效率。透平葉片排與排汽系統(tǒng)之間的強氣動相互作用，對透平葉片的運行安全以及機組的熱效率都會產(chǎn)生重要影響。以往的擴壓器端壁設(shè)計中，不考慮透平與排汽系統(tǒng)間的氣動相互作用，由一條型線繞軸向旋轉(zhuǎn)而形成軸對稱擴壓器，得到的排汽系統(tǒng)在實際環(huán)境中的氣動性能與設(shè)計值相差較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是公開一種汽輪機單側(cè)排汽系統(tǒng)擴壓器端壁，有別于現(xiàn)有擴壓器端壁的設(shè)計思路和結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)形式為全三維設(shè)計，可提高汽輪機機組熱效率，使透平葉片運行安全，適用于單側(cè)徑向排汽的汽輪機排汽系統(tǒng)內(nèi)擴壓器。為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種汽輪機單側(cè)排汽系統(tǒng)擴壓器端壁，其為非軸對稱全三維的端壁型面，由多條子午型線控制生成；子午型線取為一段圓弧線，其結(jié)構(gòu)參數(shù)包括圓弧軸向長度L，圓弧曲率半徑R和圓弧起點位置處切向角度α` ;每條型線起點位置處的切線與軸線的角度α、型線的曲率半徑R及軸向長度L不一定相同，為一自由曲面。所述的擴壓器端壁，其所述子午型線，由透平出口流場來確定，是在實際透平出口流場條件下，以分別表征排氣系統(tǒng)擴壓能力和透平出口背壓周向不均勻程度的性能參數(shù):壓力恢復(fù)系數(shù)和靜壓周向不均勻系數(shù)為優(yōu)化目標，對η個周向位置處的子午型線結(jié)構(gòu)參數(shù)a，R和L進行多目標優(yōu)化，選擇使壓力恢復(fù)系數(shù)最大，同時靜壓周向不均勻系數(shù)最小的子午型線結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。所述的擴壓器端壁，其所述靜壓周向不均勻系數(shù)最小，即排氣系統(tǒng)氣動性能達到最優(yōu)。所述的擴壓器端壁，其所述η，為子午型線的個數(shù)，n ^ I的整數(shù)，根據(jù)實際設(shè)計條件自由決定。本發(fā)明的優(yōu)點在于:一、適應(yīng)末級透平出口的實際流場分布，保證機組在實際運行環(huán)境下，排汽系統(tǒng)具有良好的擴壓能力，降低透平出口背壓，增加透平出功，提高機組熱效率。二、適應(yīng)單側(cè)徑向排汽的排汽蝸殼，削弱單側(cè)徑向排汽系統(tǒng)內(nèi)流動的周向不均勻程度，降低末級透平葉片負荷及氣動力在一周內(nèi)的波動，提高機組運行安全。


圖1為汽輪機單側(cè)排汽系統(tǒng)擴壓器外環(huán)端壁型線結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖；圖2為本發(fā)明的一種汽輪機單側(cè)排汽系統(tǒng)擴壓器端壁全三維設(shè)計示意圖；其中:圖2a.為不同周向位置的子午型線；圖2b.為全三維設(shè)計擴壓器外環(huán)端壁；圖3a為現(xiàn)有汽輪機軸對稱擴壓器端壁示意圖；圖3b為本發(fā)明的一種汽輪機單側(cè)排汽系統(tǒng)擴壓器端壁示意圖，該擴壓器子午型線的個數(shù)η根據(jù)發(fā)明者計算環(huán)境所限選擇為2，優(yōu)化的子午型線周向位置分別位于0°和±90°處，其中+90° -90°處(即擴壓器下半部)型線結(jié)構(gòu)相同；圖4為 在透平出口流場影響下，排汽系統(tǒng)進、出口位置平均壓力對比圖；其中:斜線為帶傳統(tǒng)擴壓器排氣系統(tǒng)，直線為帶非軸對稱擴壓器排氣系統(tǒng)；圖5為在透平出口流場影響下，擴壓器入口(透平出口)位置徑向平均壓力系數(shù)沿周向分布圖；其中:上面線條為帶傳統(tǒng)擴壓器排氣系統(tǒng)，下面線條為帶非軸對稱擴壓器排氣系統(tǒng)；圖6a為帶軸對稱擴壓器的排汽系統(tǒng)頂部子午面流線圖；圖6b為帶本發(fā)明非軸對稱全三維擴壓器的排汽系統(tǒng)頂部子午面流線圖。
具體實施例方式本發(fā)明的一種汽輪機單側(cè)排汽系統(tǒng)擴壓器端壁，是基于對透平葉片排與單側(cè)徑向排汽系統(tǒng)間的強氣動相互作用，提出了一種新的設(shè)計思路和結(jié)構(gòu)形式。該設(shè)計方法提出對汽輪機排汽系統(tǒng)內(nèi)的擴壓器端壁進行全三維設(shè)計。設(shè)計中，根據(jù)實際的透平出口流場，在不同的周向位置處采用不同的子午型線(見圖2a)，將各處的型線沿周向進行光滑插值，形成擴壓器端壁型面(見圖2b)。這種設(shè)計方法，在實際運行環(huán)境下，既能保證排汽系統(tǒng)具有良好的擴壓能力，降低透平出口背壓(見表I及圖4)，增加透平出功，提高機組熱效率；又能減小單側(cè)徑向排汽系統(tǒng)內(nèi)流場的非軸對稱程度(見表I及圖5)，降低葉片表面的氣動力沿周向變化程度，進而提高葉片和機組的運行安全。本發(fā)明的一種汽輪機單側(cè)排汽系統(tǒng)擴壓器端壁，為非軸對稱全三維的端壁型面，由多條子午型線控制生成。子午型線取為一段圓弧線，其結(jié)構(gòu)參數(shù)由圓弧軸向長度L，圓弧曲率半徑R和圓弧起點位置處切向角度α組成，如圖1所示。每條型線起點位置處的切線與軸線的角度a、型線的曲率半徑R及軸向長度L不一定相同，為一自由曲面。本發(fā)明對汽輪機單側(cè)徑向排汽系統(tǒng)內(nèi)的擴壓器端壁進行全三維設(shè)計，具體實施方式
如下:(I)在真實流動條件下，根據(jù)實際的透平出口截面流場，考慮到排汽系統(tǒng)的擴壓性能和流場的周向不均勻性，在不同的周向位置處分別選取最優(yōu)的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到各個周向位置處擴壓器端壁子午型線(見圖2a)。
(2)將各周向位置處的型線沿周向進行光滑插值，形成全三維擴壓器端壁型面曲面(見圖2b)。本發(fā)明的一種汽輪機單側(cè)排汽系統(tǒng)擴壓器端壁(如圖3b所示)與現(xiàn)有汽輪機軸對稱擴壓器端壁(如圖3a所示)相比，其不同十分明顯。一，擴壓器端壁型面由多條子午型線控制生成，每條型線起點位置處的切線與軸線的角度、型線的曲率半徑以及軸向長度不一定相同，因此擴壓器端壁型面為一自由曲面而不再保持軸對稱(見圖2b);二，擴壓器端壁不同周向位置采用不同的子午型線，有利于適應(yīng)于單側(cè)徑向排汽系統(tǒng)蝸殼的非軸對稱結(jié)構(gòu)，削弱由于單側(cè)徑向排汽造成的末級透平出口截面背壓的非軸對稱程度(見表1、圖4及圖5)以及因此引起的動葉片表面的低頻氣動力；三，擴壓器端壁不同周向位置子午型線的選取考慮到排汽系統(tǒng)入口截面由末級透平產(chǎn)生的入口旋流效應(yīng)，有利于在實際運行工況下減小擴壓器內(nèi)的流動分離(見圖6)，有效降低透平出口背壓(見表I)，提高機組效率。表1.在透平出口流場影響下排汽系統(tǒng)氣動性能比較
權(quán)利要求
1.一種汽輪機單側(cè)排汽系統(tǒng)擴壓器端壁，其特征在于，為非軸對稱全三維的端壁型面，由多條子午型線控制生成；子午型線取為一段圓弧線，其結(jié)構(gòu)參數(shù)包括圓弧軸向長度L，圓弧曲率半徑R和圓弧起點位置處切向角度α ;每條型線起點位置處的切線與軸線的角度α、型線的曲率半徑R及軸向長度L不一定相同，為一自由曲面。
2.如權(quán)利要求1所述的擴壓器端壁，其特征在于，所述子午型線，由透平出口流場來確定，是在實際透平出口流場條件下，以分別表征排氣系統(tǒng)擴壓能力和透平出口背壓周向不均勻程度的性能參數(shù):壓力恢復(fù)系數(shù)和靜壓周向不均勻系數(shù)為優(yōu)化目標，對η個周向位置處的子午型線結(jié)構(gòu)參數(shù)a，R和L進行多目標優(yōu)化，選擇使壓力恢復(fù)系數(shù)最大，同時靜壓周向不均勻系數(shù)最小的子午型線結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。
3.如權(quán)利要求2所述的擴壓器端壁，其特征在于，所述靜壓周向不均勻系數(shù)最小，即排氣系統(tǒng)氣動性能達到最優(yōu)。
4.如權(quán)利要求2所述的擴壓器端壁，其特征在于，所述η，為子午型線的個數(shù)，n^ I的整數(shù)，根據(jù)實際設(shè)計 條件自由決定。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種汽輪機單側(cè)排汽系統(tǒng)擴壓器端壁，涉及汽輪機技術(shù)，端壁型面采用全三維造型，利用不同周向位置處各異的子午型線，生成非軸對稱全三維擴壓器端壁曲面。本發(fā)明的擴壓器端壁結(jié)構(gòu)作用有二一是適應(yīng)末級透平出口的實際流場分布，保證機組在實際運行環(huán)境下，排汽系統(tǒng)具有良好的擴壓能力，降低透平出口背壓，增加透平出功，提高機組熱效率；二是適應(yīng)單側(cè)徑向排汽的排汽蝸殼，削弱單側(cè)徑向排汽系統(tǒng)內(nèi)流動的周向不均勻程度，降低末級透平葉片負荷及氣動力在一周內(nèi)的波動，提高機組運行安全。本發(fā)明的擴壓器端壁結(jié)構(gòu)形式適用于所有單側(cè)徑向排汽的汽輪機排汽系統(tǒng)內(nèi)的擴壓器。
文檔編號F01D25/30GK103244209SQ20121002458
公開日2013年8月14日 申請日期2012年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月6日
發(fā)明者付經(jīng)倫, 劉建軍, 周嗣京, 曾蘊濤, 崔永強, 蔣洪德 申請人:中國科學(xué)院工程熱物理研究所