[发明专利]一种带有空心喷嘴叶片的组合式透平结构

说明书

本发明涉及一种带有空心喷嘴叶片的组合式透平结构，包括至少一向心式透平和设置在向心透平下游的至少一级轴流透平，向心透平的喷嘴叶片为空心结构，高压气流经过设置在气缸进气道中的调节阀后，先进入向心透平做功，叶轮排气再折转通过喷嘴叶片的轴向气流通道进入下游透平中继续做功。本发明通过首级采用向心式叶轮，可以满足小体积流量、大焓降的设计要求，迅速降低工质的温度和压力，容易实现喷嘴全周进气或提升喷嘴的部分进气度，以提高透平的气动效率、减小叶轮所受的气流激振力；此外，向心透平出口气体在通过轴向气流通道时，可对喷嘴叶片进行冷却，降低对叶片材料耐高温的要求，提升叶片的使用寿命。

技术领域

本发明属于透平机械技术领域，涉及一种组合式透平结构，具体地说是一种带有空心喷嘴叶片的组合式透平结构，通过首级采用向心式叶轮，可以满足小体积流量、大焓降的设计要求，迅速降低工质的温度和压力，容易实现喷嘴全周进气或提升喷嘴的部分进气度，以提高透平的气动效率、减小叶轮所受的气流激振力；此外，向心叶轮出口气体再通过喷嘴叶片的空心部分时，可以对该叶片进行冷却，降低对叶片材料耐高温的要求，提升叶片的使用寿命。因此，对于小体积流量、高进气温度的技术要求，该结构能明显提升机组的效率、结构紧凑性和运行可靠性，适用于蒸汽轮机、压缩空气储能膨胀机、超临界二氧化碳膨胀机、燃气轮机、航空发动机、有机工质透平等各类机组中。

背景技术

透平膨胀机组在能源、动力领域应用广泛，适用的工作介质类型、压力、温度、转速、功率、叶片级数等设计参数各不相同。

首先，对于进气压力高、温度高的透平机组，一般其第一个膨胀级的进口体积流量也较小，如果第一级采用轴流式叶轮结构，则叶片的高度较小，将会导致能量损失大、气动效率低，设计者一般会采用部分进气结构方案以增大第一级的叶片高度，但部分进气结构会导致第一个级动叶受到喷嘴出口周期性气流产生的强烈的激振力，对第一级动叶的结构、强度、使用寿命设计带来很大挑战。在蒸汽轮机应用领域中，第一个膨胀级常称为调节级，运行中经常出现叶片振动、断裂的情况，严重影响了机组的安全可靠性。

此外，目前火力发电用蒸汽轮机正朝着更高进气温度(620℃以上)、压力(31MPa以上)的方向发展，以进一步提升系统效率、降低煤耗，这样对第一个膨胀级的冷却结构、叶片材料提出了更高的要求，首级喷嘴叶片往往需要额外通入中低温蒸汽进行冷却，使得进口的高温蒸汽不对喷嘴叶片造成破坏或者减少叶片的使用寿命。

发明内容

针对现有技术的以上现状和存在的缺点不足，本发明提出了一种带有空心喷嘴叶片的组合式透平结构，通过首级采用向心式叶轮，可以满足小体积流量、大焓降的设计要求，迅速降低工质的温度和压力，容易实现喷嘴全周进气或提升喷嘴的部分进气度，以提高透平的气动效率、减小叶轮所受的气流激振力，此外，向心叶轮出口气体再通过喷嘴叶片的空心部分时，可以对该叶片进行冷却，降低了对叶片材料耐高温的要求，提升叶片的使用寿命，使得透平叶片可以不采用昂贵的高温合金材料就能适应更高的进气温度，具有良好的应用前景。因此，对于小体积流量、高进气温度的技术要求，本发明的带有空心喷嘴叶片的组合式透平结构能明显提升机组的效率、结构紧凑性和运行可靠性，适用于蒸汽轮机、压缩空气储能膨胀机、超临界二氧化碳膨胀机、燃气轮机、航空发动机、有机工质透平等各类机组中。

为了达到上述技术目的，本发明的解决方案如下：

一种带有空心喷嘴叶片的组合式透平结构，包括气缸、主轴、至少一级向心透平和设置在所述向心透平下游的至少一级轴流透平，所述气缸包括气缸进气道和气缸排气道，所述主轴设置在所述气缸的中心，所述向心透平、轴流透平均固定设置在所述主轴上，其特征在于，

所述气缸上还固定设置一沿轴向布置的向心叶轮喷嘴环，且所述向心叶轮喷嘴环同心套设在所述向心透平的径向外周，所述向心叶轮喷嘴环包括一前挡板、一后挡板以及位于所述前挡板与后挡板之间并沿周向均匀分布的多个喷嘴叶片，相邻两所述喷嘴叶片之间的空间形成为径向气流通道，每一所述径向气流通道的进气口正对所述气缸进气道的环形出气口，每一所述径向气流通道的出气口正对所述向心透平的进气口，