一种核电汽轮机静叶环内可调高度可加热的端壁翼刀

技术领域

本发明属于汽轮机端壁翼刀控制技术领域，更具体地说，是涉及一种核电汽轮机静叶环内可调高度可加热的端壁翼刀。

背景技术

核电汽轮机属于核电站常规岛中最关键的设备之一，汽轮机内部蒸汽流动损失中二次流损失不可忽略不计，特别是在低负荷工况下。这是端壁附近两个相反方向的涡流流动所造成的损失，因此可以在端壁使用翼刀来减少该损失。翼刀技术主要用于压气机内，是一种被动流动的控制方法，能够阻断端壁附面层分离，有效降低端壁二次流损失。

翼刀虽然能够降低二次流损失，但也会引导额外的附加损失。汽轮机在额定工况下运行时，二次流损失较小，此时翼刀甚至会使得总损失增大，因此有必要使翼刀可以调节高度，在额定工况下翼刀移动可以保持较低的高度，随着负荷的降低，二次流损失逐渐增强的情况下，增大翼刀高度，从而抑制二次流损失。

湿蒸汽中的水滴不仅降低汽轮机效率，还会对汽轮机通流部分造成强烈侵蚀。在静叶上，水膜被主汽流携带向出气边运动，当出气边的水膜达到一定厚度后就会脱落，然后被蒸汽拖拽力撕裂形成大水滴，这些大水滴的轴向速度远低于周向速度，从而形成对动叶的负攻角，撞击动叶进口处的吸力面，造成动叶叶片的水蚀损坏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种核电汽轮机静叶环内可调高度可加热的端壁翼刀，旨在实现端壁翼刀高度可调节，能抑制二次流损失，翼刀加热后使液膜气化进而形成一层气膜，防止翼刀尾缘液滴破碎，有效缓解动叶叶片水蚀损坏。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种核电汽轮机静叶环内可调高度可加热的端壁翼刀，包括翼刀组件、驱动圈、动力元件、传动组件和加热器，静叶环内侧面上两静叶间形成有开口朝向静叶环中心的凹槽，所述翼刀组件沿静叶环径向在所述凹槽内部和外部移动；驱动圈呈圆环状且套装在静叶环外圆周上，静叶环外圆周上形成有适于容纳所述驱动圈的安装槽，所述驱动圈置于所述安装槽内且可周向旋转，所述安装槽与所述凹槽之间通过穿孔相互贯通；动力元件的动力输出端连接所述驱动圈外端并用于驱动所述驱动圈顺逆时针周向旋转；传动组件穿过所述穿孔且两端分别连接所述驱动圈和所述翼刀组件，具有沿静叶环径向移动的自由度，所述驱动圈周向旋转后驱动所述传动组件和所述翼刀组件移动，以调节所述翼刀组件高度；加热器设于所述翼刀组件上并适于加热所述翼刀组件。

在一种可能的实现方式中，所述驱动圈侧部沿圆周向均布有多个斜槽，所述斜槽沿平行于所述驱动圈轴向方向贯通所述驱动圈两端，所述斜槽长轴方向与所述驱动圈切向之间成锐角或钝角设置，所述传动组件具有沿所述斜槽长轴方向移动的自由度。

在一种可能的实现方式中，静叶环上所述安装槽内侧面沿平行于其轴向的两相对面上均具有竖槽，所述竖槽长轴方向沿静叶环径向设置，所述传动组件具有沿所述竖槽长轴方向移动的自由度，所述竖槽与所述斜槽在平行于静叶环轴向上对齐设置。

在一种可能的实现方式中，所述传动组件包括第一连杆和第二连杆，第一连杆穿过所述斜槽且两端分别滑动插接于两个所述竖槽内，所述第一连杆具有沿所述斜槽内沿长轴方向移动的自由度，且具有沿所述竖槽长轴方向移动的自由度；第二连杆穿过所述穿孔且两端分别连接所述第一连杆和所述翼刀组件，所述第二连杆具有沿所述竖槽长轴方向移动的自由度，所述驱动圈的顺逆时针旋转以驱动所述第一连杆和所述第二连杆移动，并调节所述翼刀组件高度。

在一种可能的实现方式中，所述传动组件沿静叶环径向的移动的距离与所述翼刀组件高度调节的距离相同，所述第二连杆为中空杆件。

在一种可能的实现方式中，所述凹槽形状与所述翼刀组件形状相适配，所述翼刀组件的高度与所述凹槽的深度相同，所述翼刀组件置入所述凹槽内且朝向静叶环中心的一侧面与静叶环内侧面平齐时，所述翼刀组件在静叶环内的高度为零。

在一种可能的实现方式中，所述驱动圈为外齿轮，所述动力元件包括可正反转且转速可控的电机和连接于所述电机动力输出端的驱动齿轮，所述驱动齿轮与所述外齿轮啮合传动配合连接，所述加热器为电阻式加热器。

在一种可能的实现方式中，所述穿孔与所述安装槽贯通的一端位于所述驱动圈与所述安装槽内侧壁之间的间隙内。

在一种可能的实现方式中，所述翼刀组件上形成有适于安装所述加热器的加热槽。

在一种可能的实现方式中，连接所述加热器的线束穿引于所述传动组件内并从静叶环外侧引出。

本发明提供的一种核电汽轮机静叶环内可调高度可加热的端壁翼刀的有益效果在于：与现有技术相比，本发明一种核电汽轮机静叶环内可调高度可加热的端壁翼刀包括翼刀组件、驱动圈、动力元件、传动组件和加热器，通过动力元件提供给驱动圈动力，驱动圈在安装槽内周向旋转，驱动圈带动传动组件在穿孔内沿静叶环径向移动，以使翼刀组件在凹槽内部和外部移动，实现对翼刀组件高度调节的效果，通过在翼刀组件上设置加热器，实现对翼刀的加热，实现了端壁翼刀高度可调节且能抑制二次流损失，翼刀加热后使液膜气化进而形成一层气膜，防止翼刀尾缘液滴破碎，有效缓解动叶的水蚀损坏。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种核电汽轮机静叶环内可调高度可加热的端壁翼刀及适用的静叶环的结构示意图；

图2为图1中的静叶环立体结构示意图；

图3为图1中的静叶环的俯视图；

图4为图1中的驱动圈立体结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种核电汽轮机静叶环内可调高度可加热的端壁翼刀和相邻的两组静叶结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种核电汽轮机静叶环内可调高度可加热的端壁翼刀尺寸图；

图7为图1中的A-A处截面图；

图8为图7中的静叶环、驱动圈、传动组件、翼刀组件的结构示意图；

图9为图7中的翼刀组件处于凹槽内部的状态示意图；

图10为图7中的翼刀组件处于凹槽外部的状态示意图；

图11为图3中的B-B处部分截面图或驱动圈沿径向截面的部分结构示意图；

图12为图3中的C-C处部分截面图或静叶环沿径向截面的部分结构示意图；

图13为本发明实施例的翼刀组件的立体结构示意图(加热槽为加热器的安装位置，线束从上端的孔引出)；

图14为本发明实施例的翼刀组件最佳高度调节流程图。

附图标记说明：

1、翼刀组件；2、驱动圈；3、动力元件；31、驱动齿轮；4、传动组件；41、第一连杆；42、第二连杆；5、凹槽；6、安装槽；7、穿孔；8、斜槽；9、竖槽；10、加热槽；11、静叶环。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1至图14，现对本发明提供的一种核电汽轮机静叶环内可调高度可加热的端壁翼刀进行说明。所述一种核电汽轮机静叶环内可调高度可加热的端壁翼刀，包括翼刀组件1、驱动圈2、动力元件3、传动组件4和加热器，静叶环11内侧面上两静叶间形成有开口朝向静叶环11中心的凹槽5，所述翼刀组件1沿静叶环11径向在所述凹槽5内部和外部移动；驱动圈2呈圆环状且套装在静叶环11外圆周上，静叶环11外圆周上形成有适于容纳所述驱动圈2的安装槽6，所述驱动圈2置于所述安装槽6内且可周向旋转，所述安装槽6与所述凹槽5之间通过穿孔7相互贯通；动力元件3的动力输出端连接所述驱动圈2外端并用于驱动所述驱动圈2顺逆时针周向旋转；传动组件4穿过所述穿孔7且两端分别连接所述驱动圈2和所述翼刀组件1，具有沿静叶环11径向移动的自由度，所述驱动圈2周向旋转后驱动所述传动组件4和所述翼刀组件1移动，以调节所述翼刀组件1高度；加热器设于所述翼刀组件1上并适于加热所述翼刀组件1。

本发明提供的一种核电汽轮机静叶环内可调高度可加热的端壁翼刀，与现有技术相比，包括翼刀组件1、驱动圈2、动力元件3、传动组件4和加热器，通过动力元件3提供给驱动圈2动力，驱动圈2在安装槽6内周向旋转，驱动圈2带动传动组件4在穿孔7内沿静叶环11径向移动，以使翼刀组件1在凹槽5内部和外部移动，实现对翼刀组件1高度调节的效果，通过在翼刀组件1上设置加热器，实现对翼刀的加热，实现了端壁翼刀高度可调节且能抑制二次流损失，翼刀加热后使液膜气化进而形成一层气膜，防止翼刀尾缘液滴破碎，有效缓解动叶的水蚀损坏。

通常情况下，驱动圈2的周向旋转是有一定范围的，在该范围内，驱动圈2只能是在顺(逆)时针旋转后再进行逆(顺)时针旋转，如此往复操作，即可完成翼刀高度的调节的操作；在图1-图2、图7-图12中看，顺时针旋转表示翼刀的高度调节向小的趋势、翼刀向凹槽5内部逐渐回缩；反之逆时针旋转表示翼刀的高度调节向大的趋势、翼刀向凹槽5外部逐渐延伸。由于静叶环11是固定不动的，驱动圈2的旋转，带动传动组件4的升降(即沿静叶环11径向的移动)，从而实现翼刀高度的调节；驱动圈2旋转的速度越快，则翼刀调节的速度就越快，反之就越慢，传动组件4相当于是将驱动圈2的旋转的动力、转化为翼刀的直线运动的一种动力转换组件。因为翼刀为多个且沿静叶环11圆周向设置，每个翼刀设置在相邻的静叶之间，翼刀的数量与静叶的数量一致，通过设置驱动圈2，就可以同时操作控制多个翼刀的高度(或低或高)，翼刀的高度调节灵活，操作方便。

为了实现将驱动圈2的旋转动力，转换为对翼刀组件1的高度调节的沿直线方向的动力，在一些实施例中，请参阅图1至图14，所述驱动圈2侧部沿圆周向均布有多个斜槽8，所述斜槽8沿平行于所述驱动圈2轴向方向贯通所述驱动圈2两端，所述斜槽8长轴方向与所述驱动圈2切向之间成锐角或钝角设置，所述传动组件4具有沿所述斜槽8长轴方向移动的自由度。通过设置的斜槽8，传动组件4上的部分结构在该斜槽8内移动或滑动，通过驱动圈2拨动传动组件4移动，则可实现动力的转换。

之所以称之为斜槽8，在图11中看，该斜槽8的长轴方向就是指槽的形状的长边方向，该斜槽8呈近似长条形或矩形，是呈一种倾斜的状态，场边方向与驱动圈2(静叶环11)的切向是具有一定角度。

在一些实施例中，请参阅图1至图14，静叶环11上所述安装槽6内侧面沿平行于其轴向的两相对面上均具有竖槽9，所述竖槽9长轴方向沿静叶环11径向设置，所述传动组件4具有沿所述竖槽9长轴方向移动的自由度，所述竖槽9与所述斜槽8在平行于静叶环11轴向上对齐设置(此处的对齐，并不是指竖槽9和斜槽8是完全的对齐，而是有部分的结构是对齐的)。通过上述斜槽8对传动组件4移动的限位，再结合位于斜槽8两侧的竖槽9对传动组件4的限位，使得传动组件4只能在竖槽9的高度方向上移动，则通过驱动圈2的旋转，就可以起到对传动组件4限位并驱动其沿静叶环11径向移动的作用，实现了对翼刀组件1高度调节的效果。

本发明中，一组斜槽8和其对应的两组竖槽9是结合使用的，实现对传动组件4的限位和移动的作用和效果。

在一些实施例中，请参阅图1至图14，所述传动组件4包括第一连杆41和第二连杆42，第一连杆41穿过所述斜槽8且两端分别滑动插接于两个所述竖槽9内，所述第一连杆41具有沿所述斜槽8内沿长轴方向移动的自由度，且具有沿所述竖槽9长轴方向移动的自由度；第二连杆42穿过所述穿孔7且两端分别连接所述第一连杆41和所述翼刀组件1，所述第二连杆42具有沿所述竖槽9长轴方向移动的自由度，所述驱动圈2的顺逆时针旋转以驱动所述第一连杆41和所述第二连杆42移动，并调节所述翼刀组件1高度。

在驱动圈2上设置斜槽8的作用是：当驱动圈2旋转时，可以拨动第一连杆41在斜槽8内滑动(斜上升或斜下降)，从而使第一连杆41带动第二连杆42移动，第二连杆42带动翼刀组件1移动，实现翼刀高度的调节。该斜槽8相当于提供给第一连杆41沿静叶环11径向移动的动力。

顾名思义，竖槽9就是指沿竖向(具体是沿静叶环11径向)设置的槽，为一种盲槽，能够提供给第二连杆42有竖向升降的自由度，便于第二连杆42的升降(具体是沿静叶环11径向)调节。

第一连杆41和第二连杆42结合后成为一个整体组件同时移动，可以在将驱动圈2的旋转动力转换为对翼刀升降的动力。

在一些实施例中，请参阅图1至图14，所述传动组件4沿静叶环11径向的移动的距离与所述翼刀组件1高度调节的距离相同，所述第二连杆42为中空杆件，中空杆便于使连接加热器的线束穿过，不影响翼刀高度调节效果。

优选的，第一连杆41也为中空杆，这样可以在减轻重量的同时，还能起到动力传递和转换的作用。

在一些实施例中，请参阅图1至图14，所述凹槽5形状与所述翼刀组件1形状相适配，所述翼刀组件1的高度与所述凹槽5的深度相同，所述翼刀组件1置入所述凹槽5内且朝向静叶环11中心的一侧面与静叶环11内侧面平齐时，所述翼刀组件1在静叶环11内的高度为零。当翼刀高度为零时，可理解为在静叶环11上未设置端壁翼刀的状态，在实际使用或操作过程中可根据不同工况，合理调节翼刀的高度。如图7-图8所示，图中的H1表示翼刀组件1的移动距离，H2表示传动组件4的移动组件，优选情况下，H1＝H2。

在一些实施例中，请参阅图1至图14，所述驱动圈2为外齿轮，所述动力元件3包括可正反转且转速可控的电机(在图中未示出)和连接于所述电机动力输出端的驱动齿轮31，所述驱动齿轮31与所述外齿轮啮合传动配合连接，所述加热器为电阻式加热器。电机驱动该驱动齿轮31旋转，驱动齿轮31驱动外齿轮旋转，外齿轮驱动传动组件4移动，进而驱动翼刀组件1的高度调节。

具体的，当驱动圈2在周向旋转时，可能与动力元件3之间的啮合力发生改变(或大或小)，此时可通过调节动力元件3的位置，尽可能的使两者之间的啮合力维持在平稳状态，且保持在平稳的传动状态，这样驱动圈2的旋转速度为稳定的，进而不会影响多个翼刀高度的调节效果。

在一些实施例中，请参阅图1至图14，所述穿孔7与所述安装槽6贯通的一端位于所述驱动圈2与所述安装槽6内侧壁之间的间隙内。驱动圈2的侧部与安装槽6的内侧壁之间是预留有间隙的，这样能使驱动圈2在安装槽6内灵活移动(包括驱动圈2的轴向移动、圆周向旋转和径向移动)，实现对翼刀高度灵活调节的作用。该间隙的设置，也便于使传动组件4穿过，实现动力的传递和转换。

优选的，第一连杆41的长度方向与第二连杆42的长度方向垂直设置，由于翼刀组件1为多组，一组翼刀组件1(翼刀)对应连接一组传动组件4，在驱动圈2上沿圆周向设置有多个斜槽8，对应的，在静叶环11上沿圆周向设置有多个竖槽9和多个穿孔7，穿孔7对应翼刀设置，斜槽8、竖槽9、穿孔7和传动组件4的数量相同，均一一对应设置，则通过驱动圈2的旋转就可以同时驱动多个翼刀组件1升降。

为便于加热器的安装，在一些实施例中，请参阅图1至图14，所述翼刀组件1上形成有适于安装所述加热器的加热槽10。加热槽10的形式与加热器的外形相适配，将加热器放入加热槽10内以后，加热槽10能将加热器卡紧，保证在使用过程中不会自然掉落。

优选的，在加热槽10的内壁上设有类似于销子的卡接件(在图中未示出)，当将加热器放置在加热槽10内后，通过卡接件就可将加热器卡紧固定。当需要拆卸加热器时，可先拆卸卡接件，后将加热器从加热槽10内取出即可，实现了加热器的安装和拆卸方便的技术效果。

为使连接加热器的线束不影响翼刀组件1的高度调节的效果，则在一些实施例中，请参阅图1至图14，连接所述加热器的线束(在图中未示出)穿引于所述传动组件4内并从静叶环11外侧引出，线束先是从第二连杆42的内部穿过、后从驱动圈2与安装槽6之间的空隙穿出，线束呈柔性，可随传动组件4的移动而移动，在移动过程中并不影响翼刀的高度调节。

在静叶环11上设置有多个翼刀组件1，每个翼刀组件1位于相邻的静叶之间，翼刀组件1即为翼刀，翼刀安装在静叶环11的外部端壁上，如图6所示，翼刀组件1的具体结构为：翼刀弦长为41mm，前缘厚度为2mm，尾缘厚度为1mm，在叶片轴向方向上，叶片厚度首先线性增加，在轴向弦长33.3％时达到最大厚度3mm，然后叶栅厚度线性减小至1mm。叶片下表面为平面，前缘和尾缘点分别命名为B1和B2。为了减少上游损失，前缘上表面采用圆角过渡处理，以O点为中心，半径为2.2mm。O点定在B1和B2的连线上，“O”与“B1”的距离为1.9mm。

翼刀加热采用电阻加热的方法，电阻加热是最简单的加热方法，也是最适合翼刀加热的方法。对于核电汽轮机叶片来说，常在空心叶片内部通入过热蒸汽来使得叶片加热，但是翼刀部件结构小巧，并不适合在内部通入蒸汽，放置电阻进行加热可以控制其加热速率，并且电阻片具有耐高温的特点。如图13所示，翼刀内部挖空一个厚度为1mm，长宽各为2cm的长方体形状，用于放置电阻片，用一个导线穿过第二连杆42，与外部电源相连，实现对翼刀的加热。

对于特定的流量工况下，通过改变翼刀的高度，使得级内的损失尽可能降到最低。对于流动损失的判断依据，引入总压损失系数，表达式如下：

式中：

为了获得最佳的翼刀高度，如图14所示，根据总压损失系数的计算公式，在某一流量工况下，分别测定翼刀高度为0(即翼刀全部位于“里面”，此时流道内的流动不受翼刀的影响)，10％，20％，...，100％工况下静叶进口总压、进口静压和当地总压并计算总压损失系数，将不同翼刀高度下的总压损失系数进行拟合，获取该流量工况下最低的总压损失，即最佳的翼刀高度。当流量工况发生改变时，重复上述操作。

在现有技术中有与本发明相关的专利文献，名称为一种压气机用可调高度的端壁翼刀，可理解为现有技术，其中存在的缺陷有：因为该翼刀应用于压气机上，其与汽轮机的工作环境不同，汽轮机级内静叶处的结构紧凑，可调高度的设计需要从改进静叶环11入手；此外，该设计的翼刀并不具备加热的功能，核电汽轮机级内湿度大，为防止湿蒸汽在翼刀表面凝结产生液膜，液膜在尾缘处破坏会造成动叶叶片水蚀损坏，因此翼刀加热是有必要的。

本发明能够在变工况的情况下，通过调节端壁翼刀的高度，在降低二次流损失的同时，使得附加损失尽可能小，通过对端壁翼刀加热则可以将表面的液膜气化，从而形成一层气膜，能够有效缓解动叶叶片的水蚀损坏。本发明中增加的外齿轮结构和其他结构实现对翼刀高度的调节，不需要对原有汽轮机设备做出较大的改动，对翼刀加热后能防止湿蒸汽在翼刀表面凝结产生液膜，液膜在尾缘处破碎造成动叶叶片水蚀损坏。另外，在加热中使用的电阻丝具有耐高温的特性，加热量调节便利的特点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。