CN1100195C - 用于叶片机械的叶片和汽轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于叶片机械(11)的叶片(1)，它沿叶片轴线(2)定向。垂直于叶片轴线(2)的轴向相互间隔的截面轮廓(5)在叶片(1)的顶端区(4)和在根部区(3)中朝中间区(10)同向地相互相对错开，这样叶片(1)沿叶片轴线(2)鼓肚式地被移动。此外，轴向相互间隔的截面轮廓(5a、5b；15a、15b)在根部区(3)和/或在顶端区(4)中相互相对扭转。此外，本发明还涉及一种汽轮机(11)。

Description

用于叶片机械的叶片和汽轮机
本发明涉及一种用于叶片机械的叶片，其中该叶片沿叶片轴线定向并沿该叶片轴线具有一个根部区、一个顶端区、一个设置在两者之间的中间区以及一垂直于叶片轴线的截面区。本发明还涉及一种汽轮机，尤其是一种高压汽轮机或中压汽轮机。
叶片机械、尤其是汽轮机的效率由于所产生的流动损耗而降低。在例如R.B.Scarlin的论文“用于改进工作效率的先进汽轮机技术”(Advanced SteamTurbine Technology for Improved Operating Efficiency，Power-Gen Europe 95，May16-18，1995，Amsterdam RAI the Netherlands，Book2，Vol.4，P229)中研究了改进运行效率及由此来降低这种流动损耗的问题。文中论述了在考虑诸如间隙损耗、叶片轮廓引起的损耗以及汽轮机叶片端部区中的损耗等不同类型的流动损耗情况下如何研制三维汽轮机叶片。为降低汽轮机叶片端部区中的损耗，汽轮机叶片沿圆周方向倾斜。汽轮机叶片在叶片顶端区及叶片的轮毂区中的倾斜导致叶片弯曲，其中这样一种倾斜从机械性能考虑仅适用于导向叶片。此外在该文章中还总体地讲述到，叶片的扭转(Verdrehung)同样也影响到叶片的倾斜，这样在对叶端区进行三维设计时，不仅叶片倾斜，叶片扭转，而且叶片的轮廓均需加以考虑。
EP-A-0704602涉及一种涡轮机导向叶片的结构型式，该叶片处于沿涡轮机轴线定向的汽轮机的中间导向叶轮中。在此，该叶片沿一径向定向的叶片轴线伸展，且具有一个压力侧和一个吸入侧以及一个进汽边和一个排汽边。在此沿径向如下构造所述叶片：从叶片根部区到沿叶片轴线与叶片根部区相对立的叶片顶端区的压力侧具有凸的弯曲特性。
在一个特别优选的结构型式中，这种弯曲是这样地来取得的：在径向依次相互间隔的截面轮廓中，通过截面轮廓绕固定的共同排汽边的相应转动来使导角(双切向角)相对于涡轮机轴线成抛物线状改变。因此，蒸汽的通道宽度可在叶片顶端区和在叶片根部区中得到减少，且在一位于两者之间的叶片中间区中得到增加。这将导致一部分蒸汽流量偏移，从而避开了涡轮机导向叶片的两个会引起损耗的边界区域。
在M.Jansen和W.Ulm的论文“用于改进汽轮机效率的现代叶片设计方法”(Modern Blade Design for Improving Steam Turbine Efficiency，“VDIBerichte”，No.1185，1995，P277-290)中，同样就提高汽轮机、尤其是高压和中压汽轮机的效率问题进行了研究。文中阐述了不同流动损耗对不同汽轮机的影响。通过对汽轮机叶片的专门结构设计，可达到降低流动损耗。其中三维结构设计的汽轮机叶片在汽轮机叶片的根部区和顶端区倾斜。在该文章中就该三维结构设计的汽轮机叶片与纯圆柱形叶片的流动损耗进行了比较。这种圆柱形叶片具有平行于叶片轴线的压力侧和吸入侧，因此既没有扭转也没有倾斜。作为对该三维结构设计的汽轮机叶片的另一替代方案，在文中则描述了所谓的扭卷(Verwinden)式汽轮机叶片，这种叶片的扭转度沿着其高度方向逐渐增加，其叶片轮廓型面也在变化。
在DE 31 48 995 A1中描述了一种轴流式涡轮机，如一种汽轮机或一种带多个在圆周上相互间隔设置的导向叶片的燃气轮机。所使用的导向叶片在其高度上被扭卷且具有变化的进汽角。进汽(气)角的改变在从叶片根部起的一定高度之上连续地在导向叶片的顶部区超线性地增加。扭转同样在导向叶片的高度上连续增加。导向叶片的截面轮廓从叶片根部到叶片顶部也连续改变，其中导向叶片变得越来越细。在导向叶片的造形方面，文章中还考虑了在导向叶片高度上的其它变化，如排汽角、导向叶片的大小和形状。
在德国专利公开文献11 68 599中给出了一种具有工作叶片和/或导向叶片的轴流式压缩机，这些叶片具有一个在壁面区域中改变了的截面，用于补偿因该壁面所造成的流动影响。在该轴流式压缩机中，沿着气流路径在工作和导向叶片之前设置入口导向叶片。这些进汽或入口导向叶片在壁区域外还具有一凸起的截面。具有该凸起截面的叶片中间部分在每一壁区域中从一个光滑且连续弯曲的表面过渡到在壁区中的非凸起截面轮廓。因此在进汽导向叶片的整个高度上，叶片截面轮廓也连续改变。进汽角在入口导向叶片的整个高度上保持不变。
在德国专利公开文献28 41 616中描述了一种用于具有导向叶片的轴流式涡轮机的导向叶片轮缘，其中导向叶片被设置在一个内环和一个外环之间，且叶片的轮廓厚度正比于叶片间距变化。其中叶片轮廓的改变在导向叶片的高度上是如下地进行的：超前边缘(压力侧)的形状没有任何变化，而是在滞后边缘上的突出部的大小在整个高度上随导向叶片厚度的增加而逐渐增加。其中轮廓改变如下进行：导向叶片厚度增加，而其弦长保持不变。这样一种导向叶片轮缘可用于汽轮机、燃气轮机和压缩机中。
在DE 42 28 897 A1中给出一种具有至少一列弯曲导向叶片的轴流式涡轮机。由于这种叶片弯曲，不仅导向叶片的前缘而且其后缘均不处于一相同的轴向平面上。在其中，叶片弯曲垂直于弦而展开，这一点是经过轮廓截面不仅在圆周方向而且也在轴向上的移动来达到的。从涡轮机壳壁(缸体)到涡轮机轮毂，导向叶片逐渐缩小，这样其截面也跟着相应改变，其中叶片轮廓则在叶片高度上基本保持不变。除弯曲和成锥形外，在导向叶片的叶片长度上还使叶片产生扭卷，以便考虑到导向叶片之后的工作叶片在整个通道高度上圆周速度的改变。因此要通过轮廓截面重心垂直于轮廓弦的一种偏移(曲率或挠度)，亦即一种轴向和圆周向的同时偏移加上弦长变化来实现对叶片的匹配。
同样在G.Singh.P.J.Walker.B.R.Haller的文章“用于优化短高度级的三维级粘滞时进法的研制”(Development of three-dimensional stage viseous timemarching method for optimization of short height stages，VDI-Berichte，No.1185，1995，P157-179)中给出了用于一种汽轮机的倾斜的涡轮机叶片。
本发明的目的在于提供一种用于叶片机械的低流动损耗的叶片。本发明的另一目的在于提供一种低流动损耗的汽轮机。
根据本发明，这一针对一种用于叶片机械的叶片的发明目的是通过这样一种叶片来达到的：该叶片沿叶片轴线定向，且沿该叶片轴线具有一个根部区、一个顶端区以及在两者之间的一个中间区和一个垂直于叶片轴线的截面轮廓，其中在叶片轴线方向上轴向相互间隔的截面轮廓从根部区到中间区以及从顶端区到中间区在同一方向上相互错开，且在根部区和/或在顶端区中轴向相互间隔的截面轮廓相互扭转一个角度差。
在将叶片装入具有涡轮机轴的涡轮机中时，叶片轴线方向上的轴向与相对于涡轮机轴的径向是等同意义的。通过使位于顶端区和根部区中的轴向相互间隔的截面轮廓移动和在根部区和/或顶端区中的附加扭转，则可在配属于涡轮机轴的轮毂和涡轮机壳体的内圆周的边界区域(顶端区、根部区)中实现减少流动损耗。方向相同地朝向中间区的移动也使得涡轮机叶片垂直于叶片轴线成鼓肚形地倾斜(弯曲)。采用轴向相互间隔的截面轮廓的附加扭转，则可达到附加提高效率的目的，亦即降低流动损耗。
在根部区和顶端区中，轴向相互间隔的截面区域优选朝着中间区同向地扭转。由此则在叶片的整个高度上从顶端区到根部区的去程上，该扭转又重新被撤回。
叶片优选地被设计来设置进叶片轮缘中，该叶片轮缘具有一个圆周方向，其中截面方向局部地与该圆周方向重合。由此在叶片的边界区域中，可实施在圆周方向上的弯曲和同时实施在叶片端部区中的扭转(角度匹配)，由此可降低流动损耗，并因此提高叶片机械的效率。尤其是在汽轮机中，与纯粹的圆柱式和纯粹的倾斜式或纯弯曲式叶片相比，一方面可在相同的热能输入情况下提高机械能输出，另一方面则可在机械能输出相同的情况下降低热能输入，且因此降低由废料造成的环境破坏。
截面轮廓优选相对于其截面重心或相对于叶片轴线(如果例如因质量分布不均匀而引起偏移的话)扭转一角度。由此而产生的扭转角在下面被称为阶梯角，而实施该扭转则被称为阶梯角改变。
在垂直于叶片轴线的截面中，截面轮廓沿叶片轴线优选地是完全相同的。因此截面轮廓在叶片高度上没有变化，由此截面轮廓的截面面积优选地也不改变。在此，叶片优选地具有一种由截面轮廓重心的圆周偏移(圆周方向上弯曲)和在顶端区和根部区(轮毂区和外壳区)截面轮廓的分阶段(无轮廓形状变化)的组合形式。
根据叶片在叶片轴线方向上的尺度(叶片长、叶片高)与叶片在垂直于叶片轴线方向上的尺度(叶片宽)之比以及在将叶片应用于叶片机械时的流动条件，在中间区的叶片优选地被做成圆柱状。叶片侧面(压力侧、吸入侧)则因此平行于叶片轴线。
叶片优选地构造成用于汽轮机、尤其是高压或中压涡轮机的导向叶片或工作叶片。其中叶片的长度与宽度之比优选地较小，如尤其在用于高压涡轮机中的叶片情况那样。
对一种沿着涡轮机轴线所定向的、且具有一个进汽区、一个排汽区和一个按流动技术设置在两者之间的叶片安装区的涡轮机来说，针对一种汽轮机的发明目的是如下地来加以实现的：在该叶片安装区中设置有沿叶片轴线定向的叶片，该叶片在叶片轴线上倾斜和扭转，这种倾斜和扭转分别从一个根部区到一个中间区增加，且从该中间区到一个顶端区减小。
采用这样一种汽轮机结构型式(具有减小的和增加的倾斜和扭转的叶片)，在沿涡轮机轴线定向的涡轮机轴和环绕该涡轮机轴的涡轮机壳体的区域内流动损耗减少。
具有减少和增加的倾斜和扭转的叶片优选地被分配给进汽区。该叶片因此被优选地设置在第一级和/或下一级中。这种情形适用于包括由工作叶片或导向叶片组成的叶片轮缘的级。因为在高压或中压汽轮机的第一级中，在轮毂和壳体区中的所谓次级损耗(边界损耗)的部分特别高(例如高达总损耗的30％)，且可由所给的叶片形状来加以减少，因此可显著地提高效率。
在排汽区优选地设置一个扭卷式叶片，亦即一种在其长度上截面轮廓和/或截面表面具有不断增加的扭转和改变的叶片。在包括扭卷式叶片和具有减少和增加的倾斜和阶梯角变化的叶片的级之间的轴向上配设一个纯圆柱形的叶片，亦即具有平行于叶片轴线的侧壁的叶片。采用这样一种不同几何形状叶片的设置方式，给出了一种流动损耗小、效率高的汽轮机。
根据附图所示实施例来详细说明用于叶片机械的叶片和汽轮机。部分附图是示意性的且不合比例的。附图中：
图1为高压汽轮机的纵剖图，
图2示出一个叶片轮缘的局部剖面，
图3为一个叶片的叶片区的立体图，
图4示出图3所示叶片的叶片区的截面，
图5示出图3所示叶片的另一截面，该截面在叶片轴方向上与图4所示截面相隔一轴向距离。
在所有的图中相同的附图标记具有相同的意义。
图1中以纵剖形式示出一种叶片机械，一种高压汽轮机11，它沿涡轮机轴线17定向。涡轮机11具有沿汽轮轴线17定向的涡轮机轴20，该轴为一个涡轮机壳体18所包围。沿涡轮机轴线17，汽轮机11具有用于作功流体，即热蒸汽的进汽区12和用于热蒸汽的排汽区13。在进汽区12和排汽区13之间轴向上配设一个叶片安装区14。在叶片安装区14中，在轴向上前后交替地在相应的叶片轮缘21中安设导向叶片9和工作叶片8。每个工作叶片8和每个导向叶片9沿叶片轴线2(见图3)具有一个根部区3、一个顶端区4以及在叶片轴线2的方向上轴向设置在两者之间的一个中间区10。该根部区3使一个工作叶片8接到涡轮机轴20上并使一个工作叶片9接到涡轮机壳体上。对顶端区4来说情况正好与上面相反。紧挨进汽区12的工作叶片8和/或导向叶片9分别被设计成一种在根部区3和顶端区4中倾斜和扭转的叶片1。紧挨排汽区13的工作叶片8和导向叶片9分别被设计成一种扭卷叶片19，它在叶片轴线2上具有不断增加的扭转和改变的截面轮廓。在叶片安装区14中，在倾斜和扭转的叶片1和扭卷叶片19之间轴向设置纯圆柱形叶片16，其吸入侧和压力侧分别平行于叶片轴线2。
图2示出叶片轮缘21的一个断面，其中在圆周方向6a上设置相邻的叶片1。为清晰起见，叶片轮缘21沿圆周方向6a展开，且仅示出两个叶片1。圆周方向6a在垂直于涡轮机轴线17的截面上对应于涡轮机轴20的圆周。流入涡轮机11的蒸汽的主流动方向22垂直于叶片轮缘21的圆周方向6a。
图3中示出沿叶片轴线2定向的叶片区23的立体图。叶片区23具有一个根部区3、一个顶端区4和位于两者之间的一个中间区10。为清晰起见，图中未画出一个连接在根部区3上的固定区，用该固定区将涡轮机叶片1固定到涡轮机轴20或涡轮机壳体18上。此外，图中同样未示出可能情况下连接到顶端区4上的片箍。在顶端区4和根部区3中，涡轮机叶片1在优选地对应于叶片轮缘21的圆周方向6a的截面方向6上倾斜，且在轴向上扭转一角度差Δβ(见图4和5)。在根部区3中，朝向中间区10不断增大的扭转和不断增大的圆周弯曲对应于顶端区4中的相同扭转和圆周弯曲。从根部区3起到中间区10的方向上，上述情况意味着沿叶片轴2一个截面轮廓5被扭转和移动，并从中间区10到顶端区4的方向上，该扭转和移动被撤回。在中间区10的高度上，该移动和扭转的程度保持恒定。在顶端区4中的反向扭转和反向移动优选地等于在根部区3中的扭转和移动。
在此处，圆周弯曲意味着截面轮廓5、5a在一个截面方向6上的移动，该截面方向6优选地对应于叶片轮缘21的圆周方向6a。叶片1的扭转是通过一种阶梯角变化来进行的，亦即根据图3和图4，通过截面轮廓5绕叶片轴线2转动来改变角β，叶片轴线2优选地与叶片1的重心轴线相重合。在一个截面上质量均匀分布的叶片1中，这一点同样对应于截面轮廓5、5a绕表面重心7(质心7)的旋转。截面轮廓5、5a、5b在叶片区23的整个高度上对每一个截面均是相同的，亦即尤其是截面的形状和面积是恒定的。在图5中所示的截面轮廓5b相对于图4中所示的截面轮廓5a扭转了角度差Δβ，并被移动了移动值ΔU。这一点对应于阶梯角β变化至阶梯角β′(图5)。
由于在汽轮机、尤其是高压汽轮机中，边界损耗、亦即涡轮机轴和涡轮机壳体附近的流体技术方面的损耗可占到总损耗的30％左右，因此在汽轮机中通过对叶片的扭转和圆周弯曲来减少这种边界损耗，从而提高效率。扭转和圆周弯曲的程度分别与汽轮机中的流体技术关系相匹配，其中扭转和圆周弯曲同样可在整个中间区中伸展。同样也可把中间区做成纯圆柱形的，亦即叶片的吸入侧和压力侧平行于叶片轴线。

Claims (12)

1.一种用于叶片机械(11)的叶片(1)，它沿叶片轴线(2)定向，具有一个根部区(3)和一个沿叶片轴线(2)与根部区(3)相对设置的顶端区(4)和一个设置在两者之间的中间区(10)，并具有一个垂直于叶片轴线(2)的截面轮廓(5；5a、5b；15a、15b)，其中，在顶端区(4)中，朝中间区(10)方向，在叶片轴线(2)方向上轴向相互间隔的截面轮廓(5a、5b)在一个截面方向(6)上通过一种平移相互错开；在根部区(3)中，朝中间区(10)方向，轴向相互间隔的截面轮廓(15a、15b)在同一截面方向(6)上通过一种平移相互错开，其中，在根部区(3)和/或在顶部区(4)中，轴向相互间隔的截面轮廓(15a、15b；5a、5b)相互相对地扭转一角度差(Δβ)。
2.根据权利要求1所述的叶片(1)，其中，轴向相互间隔的截面轮廓(15a、15b；5a、5b)在根部区(3)和顶端区(4)中朝中间区(10)方向分别同向地扭转。
3.根据上述任一项权利要求所述的叶片(1)，它用于设置在一个具有一个圆周方向(6a)的叶片轮缘中，其中，该截面方向(6)局部地与所述圆周方向(6a)相重合。
4.根据权利要求1或2所述的叶片(1)，其中截面轮廓(5a、5b；15a、15b)各自相对于其截面重心(7)扭转。
5.根据权利要求1或2所述的叶片(1)，其中截面轮廓(5a、5b；15a、15b)沿叶片轴线(2)处处相等。
6.根据权利要求1或2所述的叶片(1)，它在中间区(10)中被构造成圆柱形。
7.根据权利要求1或2所述的叶片(1)，它被构造成一种汽轮机(11)的导向叶片(9)或工作叶片(8)。
8.一种汽轮机(11)，它沿汽轮机轴线(17)定向，具有一个进汽区(12)、一个排汽区(13)和一个按照流动技术设置在两者之间的叶片安装区(14)，其中，在叶片安装区(14)中设置沿叶片轴线(2)定向的叶片(1)，该叶片(1)在叶片轴线(2)上倾斜和扭转，这种倾斜和扭转分别从一个根部区(3)到一个中间区(10)增大且从所述中间区(10)到一个顶端区(4)减小。
9.根据权利要求8所述的汽轮机(11)，其中具有减小和增大的倾斜和扭转的叶片(1)被分配给进汽区(12)。
10.根据权利要求9所述的汽轮机(11)，其中一个扭卷叶片(19)被分配给排汽区(13)。
11.根据权利要求10所述的汽轮机(11)，其中在汽轮机轴线(7)的方向上在叶片(1)和扭卷叶片(19)之间设置有一个纯圆柱形叶片(16)。
12.根据权利要求8到11中任一项所述的汽轮机(11)，其中，所述汽轮机为高压和中压汽轮机。
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