[发明专利]一种低流动压力损失异形渐变排气结构

说明书

本发明提出一种低流动压力损失异形渐变排气结构，由集气壳、异形渐变排气管、排气壳法兰组成；通过汽轮机内流动特征设计排气管类椭圆形入口以避免间隙泄漏流、做功后乏汽等蒸汽直接撞击集气壳壁面引起的流动损失，并通过流道渐变形式设计以减少掺混过程的损失，实现了小工质流量汽轮机的低流动排气作用，本结构通过流道设计减小排气压损、降低汽轮机背压、改善内部流动，且使得排气段紧凑，可用于水下、空天等特殊环境的闭式循环汽轮机动力。

技术领域

本发明涉及小工质流量闭式循环动力用汽轮机排气结构技术领域，具体为一种低流动压力损失异形渐变排气结构。

背景技术

水下、空天等特殊环境小工质流量闭式循环动力用汽轮机与普通的蒸汽轮机有很大的差别，其特点是轮盘转速高、喷嘴膨胀比大、单级纯冲动式、局部进气率低、相对叶顶间隙大、动叶出口乏汽速度高等特点。

汽轮机动力系统对汽轮机背压极其敏感；若背压过高，则汽轮机通道内流动状况变差、流动损失增加、热功转换能力下降、汽轮机出口废热高、冷凝器负荷大，更甚者在喷嘴出口或者喷嘴内出现激波，导致汽轮机效率急速下降、末端负荷变大或无法完全冷却，进而使汽轮机工作过程恶化、工质蒸汽膨胀不完全、汽轮机做功能力低且末端冷凝压力大；只有当背压较低时，汽轮机内流动状况良好、做功能力强、冷凝压力小，动力系统工作状态稳定。

在后端负荷一定的情况下，汽轮机背压与汽轮机排气流动压力损失有直接关系，排气流动压力损失小，汽轮机背压低，排气压力损失大，汽轮机背压高。汽轮机出口流动分布极不均匀，未做功的高速间隙流、非做功段缓速流以及动叶出口乏汽，三股流体速度差异大、方向各异，在排气结构发生剧烈拖拽和掺混，若排气结构设计不好，会造成较大的流动损失和压力损失。

在普通用途情况下，高膨胀比汽轮机都采用多级以提高其系统的效率、做功能力，汽轮机出口蒸汽的流速较低且气流均匀性好，排气难度小；对于结构空间不受限制的高膨胀比单级纯冲动式汽轮机，可以在出口采用开放式大空间排气型式，排气难度也小。而对体积空间严格限制的特殊要求条件下，合理设计汽轮机排气结构以降低排气损失，是设计高性能单级纯冲动式汽轮机及保障汽轮机高效运行的前提。

目前尚没有公开文献对单级纯冲动式汽轮机在有限空间下的排气结构设计提出过相关方案。

发明内容

要解决的技术问题

在水下、空天等特殊环境中使用的闭式循环动力用凝气式超高膨胀比单级纯冲动式汽轮机，其结构空间甚至重量严格受限，且汽轮机流道内流动过程与热功转换效率及汽轮机排气流动过程非常敏感，所以其在设计过程中需要研究如何排气流动压力损失，为此，本发明提出了一种低流动压力损失异形渐变排气结构，解决小工质流量低流动压力损失、紧凑型排气问题。

本发明的技术方案为：

所述一种低流动压力损失异形渐变排气结构，其特征在于：由集气壳、异形渐变排气管、排气壳法兰组成；其中集气壳密封固定安装在汽轮机喷管盒壳体上，排气壳法兰与冷凝器配气法兰密封固定连接；

所述集气壳内壁直径等于汽轮机叶顶处机匣内径；

所述异形渐变排气管入口形状为类椭圆形，采用以下过程设计得到：

首先建立一个平面扇环结构，其中的扇环外径等于汽轮机叶顶处机匣内径，径向长度等于汽轮机叶顶处机匣内壁到叶片根部圆处的距离加上设定的距离余量，扇环的圆心角等于汽轮机喷管中的所有喷嘴在叶片中径处圆周上所占的圆心角度与两个叶片角度及设定的角度余量之和；

其次以扇环内弧线两端连线作为中心线，对扇环外弧直径线对称镜像，并利用以叶片高度为直径的导圆对两端外弧线进行封闭处理，得到由两侧外弧线和导圆组成的异形渐变排气管入口形状；

所述异形渐变排气管出口形状为圆形，并采用通流仿真确立满足出口流速要求的最小圆形直径；