CN101460706B - 用于流体机械、尤其是用于蒸汽涡轮机的导向叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及流体机械的、尤其是蒸汽涡轮机的导向叶片(4)，该导向叶片具有下列几何特征：倾弯；掠弯；在对应的叶片(4)的径向方向上的扭曲；轮毂侧的圆周阶台(14)，该圆周阶台在流动方向(15)上相对于流体机械旋转轴线(8)径向向内后错；该叶片的在该导向叶片(4)的径向延伸上变化的弦长度(s)；以及该叶片(4)的在该导向叶片(4)的径向延伸上变化的横剖面型廓。

Description

用于流体机械、尤其是用于蒸汽涡轮机的导向叶片
技术领域
本发明涉及一种导向叶片，该导向叶片用于流体机械，尤其是用于蒸汽涡轮机，其具有至少一个导向叶片组。
背景技术
尤其是在蒸汽涡轮机结构中，弯曲的叶片作为涡轮叶片的实施形式尤其是当产生强烈的三维流动时使用，这种三维流动在转子侧与定子侧之间的静态压力变化曲线中显示出显著的径向区别，并且这种三维流动通过偏转在导向叶片中产生。在具有大流入横截面的低压涡轮机的最后一级中流动介质的流动尤其是在叶片长度与轮毂之间的比例大时产生对蒸汽涡轮机效率具有消极影响的径向的反作用分布。反作用分布在此在径向方向上不同，其中，这种反作用分布在轮毂上低，在涡轮机的壳体上高，这总体上被认为是缺点。
轮毂区域中的高反作用使导向叶片环中的间隙损失减小并且由此使得效率改善。因此，为了优化径向的反作用分布，使用弯曲的导向叶片。
由DE 37 43 738 A1公知了一种具有仅在圆周方向上弯曲的导向叶片的涡轮机，该导向叶片的弯曲在叶片高度上指向各在圆周方向上相邻的导向叶片的压力侧。附加地，由该文献公知了一些叶片，这些叶片的弯曲在叶片高度上指向各在圆周方向上相邻的导向叶片的抽吸侧。由此应以有效方式使不仅在径向上而且在圆周方向上分布的边界层压力梯度减小并且由此使空气动力学的叶片损失总体上降低。
具有在轴向方向上和在圆周方向上弯曲的导向叶片的涡轮机例如已由DE 42 28 879 A1公知。在此在转子叶栅的上游设置有一个固定的导向叶栅，其转子叶片在转速方面以及在其弦与分度的比例方面在流动技术上对于全负荷被优化。这些转子叶片赋予流动以对于进入到转子叶栅中所需的涡旋。叶片的弯曲垂直于弦延伸，这通过型廓横截面不仅在圆周方向上而且在轴向方向上移位来实现。导向叶片的弯曲指向各在圆周方向上相邻的导向叶片的压力侧。由于垂直于叶片弦的所述弯曲，在径向方向上投影的叶片面积比在公知弯曲中仅在圆周方向上大，由此，作用在流动介质上的径向力提高，由此，这压在流道壁上并且在那里使边界层厚度降低。
由WO 2005/005784 A1公知了一种涡轮叶片，该涡轮叶片在流动方向上在其转子侧端部上以及在其定子侧端部上前掠并且在关于流动方向径向的方向上在其转子侧端部上以及在其定子侧端部上朝压力侧倾斜。由此，在此涉及具有不仅在圆周方向上而且在轴向方向上弯曲的涡轮叶片的涡轮机。
由EP 0 916 812 B1公知了一种被轴向穿流的涡轮机的末级，其具有大的流道扩张以及具有一组弯曲的导向叶片和一组收缩且扭转的转子叶片，其中，导向叶片在轴向方向上在其转子侧端部上后掠并且在其定子侧端部上前掠——分别关于转子侧流道界限的变化曲线。导向叶片的后掠在此在叶片高度的三分之二上延伸并且之后过渡到前掠，其中，在后掠的区域中导向叶片后棱边平行于导向叶片前棱边延伸并且在前掠的区域中在导向叶片与转子叶片之间随着流动媒介轴向分量逐渐减速而形成一个朝壁持续扩展的轴向扩散器。
具有在圆周方向上和/或在径向方向上弯曲的涡轮叶片的其它涡轮机例如已由US5,249,922、US4,470,755、US4,500,256或EP0425889A1公知。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种用于流体机械的导向叶片，该导向叶片可通过降低空气动力学的叶片损失来实现流体机械效率的改善。
该问题通过独立权利要求的主题来解决。优选实施形式是从属权利要求的主题。
本发明基于这样的总体构思：在流体机械中，一个导向叶片组的导向叶片至少设置有倾弯、掠弯、扭曲、在导向叶片的径向延伸上变化的弦长度和在导向叶片的径向延伸上变化的横截面型廓。附加地，导向叶片组具有轮毂侧的圆周阶台，该圆周阶台在流动方向上相对于流体机械旋转轴线径向向内后错。由此可整合多个优点。一方面，流过涡轮机的质量流的径向分布以及径向压力梯度减小，而另一方面较大的质量流、即量流量在轮毂区域中被激励。同时，水滴的冲击能量降低，由此，侵蚀特性受到有利影响。降低的冲击能量尤其是可用于降低叶片尖部上的反作用度，由此可实现导向叶片流出棱边上的较小的绝对速度，由此产生较小的泄漏损失。
根据本发明的用于流体机械的导向叶片的其它重要特征和优点由从属权利要求、附图以及由所属的附图说明中借助于附图得到。
附图说明
附图中示出了本发明的优选实施形式，在下面的说明中对这些优选实施形式进行详细描述。附图分别示意性地表示：
图1根据本发明的流体机械在导向叶片的区域中的横剖面，
图2流体机械在导向叶片的区域中的纵剖面，
图3在径向方向上导向叶片的俯视图，
图4流体机械在轮毂侧的阶台的区域中的纵剖面，
图5用于描述分度比例的极其示意性的视图，
图6如图5中的视图，但用于描述楔角。
具体实施方式
按照图1，在流动空间1中示例性地示出了一个剖切的导向叶片4，该流动空间设置在转子轮毂2与径向的外壁3、即壳体之间。但在此涉及导向叶片4的陈述不应解释为限制，因此，本发明也应包括其它设置在流体机械中的叶片、例如转子叶片。
如图1中所示，导向叶片4具有所谓的倾弯(Lean-Krümmung)，该倾弯在圆周方向上指向，其中，弯曲角(Krümmungswinkel)γ沿着径向的叶片长度、即从轮毂2朝径向的外壁3变化。在图1中所示的实施形式中，导向叶片4的倾弯沿着径向的叶片长度从叶片根部、即从轮毂2朝叶片尖部、即朝外壁3减小。导向叶片4的倾弯涉及正的倾弯，这就是说，弯曲在导向叶片4的转动方向5上延伸。弯曲的导向叶片4的形状在此优选是大体上连续的弧，该弧与轮毂2或外壁3形成锐角γ。弯曲角γ处于在导向叶片4的流出棱边12或流入棱边16上相切于叶片表面6的切线7与正交于流体机械旋转轴线8延伸的射线9之间并且优选处于0°≤γ≤15°的范围内。
图2中示出了导向叶片4的所谓的掠弯(Sweep-Krümmung)，对此理解为轴向方向上的、即相对于导向叶片4的弦10平行的弯曲。掠弯在此通过弯曲角δ来描述，该弯曲角沿着径向的叶片长度变化，在轮毂2上具有正值，在壳体3上具有负值。正值在此根据图2这样来定义：弦10在与正交于流体机械旋转轴线8延伸的射线9的交点11上方在射线9右侧延伸，而该弦在弯曲角δ为负时在交点11上方在射线9左侧延伸。弯曲角δ由此处于在流入棱边16或流出棱边12上相切于叶片表面6的子午切线7与正交于流体机械旋转轴线8延伸的射线9之间并且通常具有15°≤δ≤-20°的值。
根据本发明，导向叶片4也具有对应的叶片4的径向方向上的扭曲，这在图3中示出。扭曲或者说扭转在此通过金属角(Metallwinkel)α2来定义，该金属角设置在一方面在流体机械圆周方向上使对应的导向叶片4的对应的流出棱边12相连接的圆周线21与另一方面在流入棱边16或者流出棱边12上的弯曲中心线13的切线之间。类似于掠弯或倾弯，金属角α2也沿着径向的叶片长度变化，其中，该金属角在轮毂2的区域中比在壳体3上大。金属角α2的对于流体机械的空气动力学情况有利的范围在此通常大致处于25°≤α2≤10°。
图4中示出了流体机械在导向叶片4的区域中的纵剖面，其中，可看到轮毂侧的圆周阶台14，该圆周阶台在流动方向15上相对于流体机械旋转轴线8径向向内后错。圆周阶台14根据图4中的视图在流入棱边16与流出棱边12之间具有s形的型廓。但这不是绝对的，作为替换方案，该圆周阶台在流入棱边16与流出棱边12之间也可具有直线形走势。通过圆周阶台14，轮毂直径在流入棱边16上比在流出棱边12上大，由此也对空气动力学特性产生积极影响。圆周阶台14的高度在此通过角β1和β2来确定，这些角分别确定在一方面相切于圆周阶台14的切线7与另一方面流体机械旋转轴线8或平行于该流体机械旋转轴线的平行线之间并且通常处于-20°≤β1，2≤20°的范围内。在此，相切于圆周阶台14的切线7在交点17上具有其最大斜率，在该交点上，所述切线7、重心线18和圆周阶台14相交。在圆周阶台14的横截面形状为s形时，该圆周阶台的拐点通常也处于所述交点17上。
图5中示出了分度比例t/s，即在圆周方向上两个相邻导向叶片4之间的叶片距离t与在导向叶片4的径向延伸上的弦长度s的商。不仅弦长度s而且叶片距离t在此理解为直线参量并且在导向叶片4的径向延伸上可变化，其中，分度比例t/s通常在叶片根部2上比在叶片尖部3上小。分度比例t/s通常所处的范围在此定义在0.45≤t/s≤0.75之间。
在图6中的视图中还示出了根据本发明的导向叶片4的另外两个特点，即一方面一个在导向叶片4的径向的叶片长度上变化的冲角α1以及一个楔角WE，该楔角在压力侧19的面切线7a与抽吸侧20的面切线7b之间在导向叶片4的流出棱边12上在径向的叶片长度上变化。在此，弯曲中心线13的流入侧的冲角α1在叶片根部2上比在叶片尖部3上小，例如处于55°≤α1≤110°的范围内。由此，冲角α1从叶片根部2朝叶片尖部3增大。与此相应，楔角WE在叶片根部2上比在叶片尖部3上大，优选连续地从叶片根部2朝叶片尖部3的方向减小。楔角WE通常处于15°≤WE≤0°的范围内。
在此值得注意的是，这样构造导向叶片4，使得至少倾弯的弯曲角γ和/或掠弯的弯曲角δ不沿着径向的叶片长度变化——如果它们关于弯曲中心线13或关于流入棱边16来测量。
根据图6定义两个相邻导向叶片4之间的最窄流动横截面q，该最窄流动横截面在轮毂2与壳体3之间逆着流动方向15移位。换句话说即，流动窄通路q在两个相邻导向叶片4的轮毂2上处于流出棱边12的区域中，而该流动窄通路在两个相邻导向叶片4的壳体3的区域中早已处于流入棱边16的区域中。
角Δα根据图6一方面通过切线7′、另一方面通过切线7″来限定。切线7′相切于流出棱边12的抽吸侧20，而切线7″相切于导向叶片4的抽吸侧20并且同时正交于流动窄通路q取向。角Δα在此根据本发明从轮毂2朝壳体3减小并且沿着径向的叶片长度变化。角Δα的典型范围在此处于-5°≤Δα≤15°之间。
参考标号清单
1    流动空间
2    流体机械的轮毂
3    径向的外壁/壳体
4    导向叶片
6    叶片表面
7    切线
8    流体机械旋转轴线
9    径向的射线
10   叶片弦
11   交点
12   流出棱边
13   弯曲中心线
14   轮毂轮廓
15   流动方向
16   流入棱边
17   交点
18   重心线
19   导向叶片4的压力侧
20   导向叶片4的抽吸侧
21   圆周线
α1   叶片进入棱边上的金属角
α2   叶片排出棱边上的金属角
β    轮毂轮廓14的角
γ    倾弯曲角
δ    掠弯曲角
s    弦长度
t    叶片距离
q    最窄流动横截面
WE   楔角

Claims (8)

1.用于蒸汽涡轮机的导向叶片(4)，其中：该导向叶片具有下列几何特征：
-垂直于叶片弦(10)的倾弯、即基本上在圆周方向上的倾弯，
-平行于叶片弦(10)的掠弯、即基本上在该流体机械的轴向方向上的掠弯，
-在对应的叶片(4)的径向方向上的扭曲，
-轮毂侧的圆周阶台(14)，该圆周阶台在流动方向(15)上相对于流体机械旋转轴线(8)径向向内后错，
-该叶片(4)的在该导向叶片(4)的径向延伸上变化的弦长度s，
-该叶片(4)的在该导向叶片(4)的径向延伸上变化的横剖面型廓；
以及
-相邻导向叶片(4)之间的最窄流动横截面(q)从轮毂(2)朝壳体(3)逆着流动方向(15)移位。
2.根据权利要求1的导向叶片(4)，其特征在于：
-倾弯沿着径向的叶片长度变化，或
-掠弯沿着径向的叶片长度从轮毂(2)朝壳体(3)减小，或
-处于在该导向叶片(4)的流出棱边(12)或流入棱边(16)上相切于叶片表面(6)的切线(7)与正交于流体机械旋转轴线(8)延伸的射线(9)之间的弯曲角γ处于0°≤γ≤15°的范围内，或
-该导向叶片(4)具有正的倾弯、即在转动方向上的弯曲。
3.根据权利要求1或2的导向叶片(4)，其特征在于：
-该导向叶片(4)的掠弯沿着径向的叶片长度变化，或
-该导向叶片(4)的掠弯沿着径向的叶片长度在轮毂(2)的区域中具有正值，在壳体(3)上具有负值，或
-处于在流入棱边(16)或流出棱边(12)上相切于叶片表面(6)的子午切线(7)与正交于流体机械旋转轴线(8)延伸的射线(9)之间的弯曲角δ处于-20°≤δ≤15°的范围内。
4.根据权利要求1或2的导向叶片(4)，其特征在于：
-在流出棱边(12)上在该流体机械的圆周方向上的圆周线(21)与该流出棱边(12)上的弯曲中心线(13)的切线之间定义一金属角α2，
-该金属角α2沿着径向的叶片长度变化，或
-该金属角α2在轮毂(2)上比在壳体(3)上大，或
-处于在该导向叶片(4)的流出棱边(12)上的弯曲中心线(13)的切线与流体机械旋转轴线(8)之间的金属角α2处于10°≤α2≤25°的范围内。
5.根据权利要求1或2的导向叶片(4)，其特征在于：
-轮毂侧的圆周阶台(14)在该导向叶片(4)的流入棱边(16)与流出棱边(12)之间具有s形的型廓或在这两个棱边(12，16)之间直线形延伸，或
-流入棱边(16)与流出棱边(12)不平行地延伸，或
-处于相切于圆周阶台(14)的切线(7)与流体机械旋转轴线(8)之间的角β处于-20°≤β≤20°的范围内。
6.根据权利要求1或2的导向叶片(4)，其特征在于：
-分度比例t/s、即在圆周方向上相邻导向叶片(4)之间的叶片距离t与在导向叶片(4)的径向延伸上的弦长度s的商变化，或
-分度比例t/s在轮毂(2)上比在壳体(3)上小，或
-分度比例t/s处于0.45≤t/s≤0.75之间的范围内。
7.根据权利要求1或2的导向叶片(4)，其特征在于：
-弯曲中心线(13)的流入侧的冲角α1在该导向叶片(4)的径向的叶片长度上变化，或
-弯曲中心线(13)的流入侧的冲角α1在轮毂(2)上比在壳体(3)上小，或
-弯曲中心线(13)的流入侧的冲角α1处于55°≤α1≤110°的范围内。
8.根据权利要求1或2的导向叶片(4)，其特征在于：
-处于压力侧(19)的面切线(7′)与抽吸侧(20)的面切线(7″)之间的楔角WE在该导向叶片(4)的流出棱边(12)上在该导向叶片(4)的径向的叶片长度上变化，或
-楔角WE在轮毂(2)上比在壳体(3)上大，或
-楔角WE处于0°≤WE≤15°的范围内。
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