CN1330209A - 涡轮机叶片单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及设计涡轮机叶片单元,尤其是涉及叶片和端部元件之间的界面,具体地是在一个静叶片环中。这里叶片机加工或浇铸成与端部元件一体,提供半径为0.15到0.3倍喉部尺寸的圆角。既考虑单个根部和顶部喉部尺寸,以得到不同的根部和顶部半径,也使用尺寸平均值,使得能够采用单一的半径。优选地,圆角在叶片后缘下游被“流线化”以减小阻塞影响。

Description

涡轮机叶片单元
本申请是中国专利申请95116394.9的分案申请，涉及在根部和顶部之间具有至少大约恒定横截面的涡轮叶片，其中翼型截面绕后缘转动，以在根部和顶部之间的叶片压力面上提供沿径向的大致对称的凸曲率。
本发明涉及一种具有叶片环的涡轮机。虽然本发明主要涉及蒸汽涡轮机，但也可以应用于其他涡轮机和压缩机。本说明书中使用的术语“涡轮”包括，具有翼型叶片的这类机器。它主要指在涡轮机中的静叶片，但又不局限于静叶片。
涡轮效率具有重大的意义，特别是对于大型设备，增加百分之几的效率能产生非常巨大的费用节省。因此，大量的金钱和努力不断地投入叶片研究中，因为这是一个关键性的零件。
多年来，传统的叶片一直是翼型截面，(静)叶片在内和外端环之间径向延伸，叶片呈棱柱形，即由一母线平行于自身移动并相交一翼型截面而形成。为了这种棱柱形叶片设计，静和动叶片两者相对各自叶片轴的方位都已标准化了，该方位由涡轮机轴线与翼型叶片压力面上前缘及后缘圆的切线之间的交错角确定。
对涡轮中棱柱形叶片性能的一种公知的改进为让叶片“偏斜”，即让叶片沿其根部在一周平面内，即在一与涡轮轴线垂直的截面内倾斜，这种“偏斜”使流量从根至顶部的叶片出口处产生变化。叶片在径向的内和外端称为根和顶部，尽管根和“顶部”两者都终止在附图1中所示的支承环21和22的端壁上。
由于叶片的圆周间距(即节距)从根到顶部逐渐增加，喉部与吸力面相交的位置随增大的半径而向上游方向移动。由于吸力面的凸面曲率，导致出口角(相对切线方向)从根部大约13°增加至在顶部大约15°。这种情形示于图6中。
叶片出口角α示于附图3a和3b中，以Sin-1(喉部/节距)定义。
由这些图中可以看出以下参数：喉部是叶片通路的最小宽度。它通常从叶片后缘的压力面伸出来，并且与相邻叶片的吸力面垂直。
交错角是涡轮轴线和与翼型截面的前缘及后缘圆相切的切线之间的角度。
叶片弦长是指叶片沿交错角切线的整个叶片范围长度。
基本棱柱形叶片设计的改进过去已经提出来了。例如，Hitachi Review，卷27，NO.3,1978年中，提出了扭转的和其他形式的叶片。在所谓“受控涡流喷嘴设计中”，描述了一种喷嘴(即静叶片)，在其径向高度的下半部，它与传统的棱柱型叶片一致，但在上半部，有逐渐变细的安装角。安装角是这样一个角，在任一叶片高度，翼型截面在其自身平面内从棱柱形叶片的正常位置所转动的角度。变细的安装角表明翼型截面的转动减小了喉部，因而减小了出口角，而***的安装角表示转动加大了喉部。早期这篇文章中的图3表示从根到顶部叶片连续转动时，安装角随着叶片高度增加而变小的情形。
根据本发明，提供一种涡轮机，包括一安装在内和外端部元件之间的翼型叶片环，在相邻叶片之间的工作流体通道被上述端部元件形成的端壁在横截面内被封闭，其中，叶片和与其连接的端部元件整体成形并被机加工以在叶片翼型表面和端壁之间提供圆角，上述圆角的半径范围为0.15至0.3倍相邻叶片间喉部尺寸。
喉部尺寸可以是在叶片的根部和顶部处所取的相邻叶片间喉部尺寸的平均值，或可以是分别在叶片的根部和顶部处所取的相邻叶片间喉部尺寸。
圆角半径的放大因子最好在0.2至0.25的范围内，或者更好为大约0.23。
上述圆角可以向上述叶片相应的后缘的后方伸延，这个区域的圆角是凹面形的，并且消失于上述相应后缘下游某点的其各自的端壁内。
每个叶片从其径向内端处的根部至其径向外端处的顶部可以有至少大体恒定的翼型横截面，并且在根部和顶部之间大体对称地弯曲；使得翼型叶片的压力面在根部和顶部之间沿径向呈凸形。
翼型截面在叶片根和顶部可以在其自身平面内相对中间高度处的截面以优选的5°±2°的范围转动，更优选的角度范围为5°±1°。
叶片的翼型截面在根和顶部之间最好沿一抛物曲线安排。
叶片的后缘，从根至顶部，最好为直的，通过翼型截面绕其直后缘的转动位移而使叶片压力面沿径向产生凸曲率。
此处叶片是固定的叶片，相邻静叶片之间的喉部对叶片间距之比，给出了叶片出口角的正弦，叶片根部出口角的优选范围为7°至11°，更优选的范围为8°至10°。
静叶片在中间高度截面处的安装角优选如下设置：与根部出口角一起，使整个通道的喉部面积与具有相同交错角的棱柱形叶片的涡轮机的通道面积相等。
此处涡轮机具有适于降低工作流体的流体密度的多个级，叶片根部的口出角可以在涡轮各级中保持不变，而叶片径向中间高度处的翼型截面安装角则可以使每一级叶片保持予定的喉部面积。这个预定的喉部面积则是其他相似的传统涡轮机在相应级处以棱柱形叶片提供的喉部面积。
下面以实施例的方式，并参照附图，对依据本发明的一种涡轮叶片以及安装在蒸汽涡轮机中的涡轮叶片进行描述，其中，
图1是一蒸汽涡轮轴向剖面图，表示一传统的“涡轮盘和隔板”高/中压蒸汽涡轮级，其包括了一静叶片组件。
图2是位于静叶片隔板中两个这种传统叶片的透视图；
图3a是图2中叶片的径向示意图；
图3b是表示静叶片出口角的图；
图4是依据本发明的一静叶片的透视图；表面上所示的格网图形在实际上不出现，只是为了强调叶片曲面的形成；
图5是为传统的棱柱形叶片和依据本发明的叶片而作的叶片截面安装角相对叶片截面从根到顶部的高度的曲线图；
图6是叶片出口角对截面高度的曲线图，仍是这两种类型的叶片的；
图7是两叶片之间喉部通道的部分截面图，表示出了在两叶片和端部元件之间形成的圆角；
图8a、8b和8c表示带有传统圆角的叶片后缘和带有“流线形”圆角的叶片后缘。
现在参看附图，图1表示出了一种传统的“涡轮盘和隔板”高/中压力蒸汽涡轮级的轴截面示意图。工作流体，蒸汽，的流动方向F大致与涡轮机转子轴线A平行。转子10的每一级有一圆盘11，其上固定着一组或一排动叶片12，其在圆周成一排并且以一定间隔分开，叶片12在其径向外端装有排气管套13。按F的方向从涡轮机前端流向后端的蒸汽中的能量在转子12中转变成机械能。对于每一级，静叶片组件位于一组动叶片12前并且固定在涡轮机内壳20上。静叶片组件包括一径向内环21，一径向外环22，和在圆周成一排并有一定间隔的静叶片23，每个叶片23内端处固定在内环21上，外端固定在外环22上，每个叶片有一前缘24，其对着汽流并具有一后缘25。带有内和外环21、22的叶片组件23称作隔板。如图1所示的涡轮盘和隔板属于如下的类型：其内和外环21、22之间垂直于涡轮机轴A的面积在静叶片后缘25处大于叶片前缘24处的。另外，在图1所示的实例中，叶片23固定于其上的环(或端部元件)21、22的表面，即端壁为一截头圆锥形，按方向F从涡轮轴A由叶片23的前缘24向后缘扩散。
现在参看图2，所示为图1中那种类型的静叶片组件的局部后示图。图2所示静叶片23属于传统的棱柱式，也就是，它们每一个都是直的，即被设计成：叶片理论上的翼型截面，每个都被认为垂直于涡轮轴的径向，从叶片里端至叶片外端具有相同的形状，从叶片根至顶端没有被扭转，沿着前缘24和后缘25叠放在一起，每个都在一直线上。每个叶片23有一凹压力边26和一凸吸力边27。
参看图3a，它表示，在径向视图中，静叶片23和29对涡轮轴A和横截面(即垂直面或圆周平面)T的方向，T平面包含了静叶片环，而轴线A与之垂直。叶片翼型截面以一后缘小圆15和一前缘大圆17为基础。与这两个圆相切的切线19与轴向A成一角度ψ交错角。
若从叶片23的吸力面27引一条垂线与相邻叶片29的压力面26相交，并取其最短的线段，这就是喉部尺寸七，它产生在叶片29的后缘25的区域。这个尺寸t与静叶片的节距P的比给出了所谓出口角α的正弦值，可以看出，这个角大致为每一叶片相对横截面T的出口角。
图4表示依据本发明的原理成形的一种叶片。它有一与传统的棱柱形叶片相同的直后缘25，但叶片的其余部分，特别是前缘24，不是直的，而是以下述方式弯由：叶片的压力面在根和顶部之间沿径向呈凸形，也就是，在叶片之间与总的蒸汽流向垂直的平面内呈凸形。在图4中表示出了这样的平面31，在压力面26上的该面的凸曲率不明显而与前缘24处的相一致。
这一曲率在图5中更具体地以图4中叶片从根部35至顶部37的各翼型截面33的安装角的变化来表示。单个的翼型截面33可以看成是在其自身平面内绕后缘25按安装角转动，在径向高度的中部该角是正值，在根和顶部为负值。朝压力面26转动为“正”，朝吸力面为“负”。
对于图5的特例，大约在径向高度约1/5和4/5处的安装角为0，该处的翼型截面具有相同的交错角，即，相对涡轮轴方向一致，如同传统的棱柱形叶片在其他传统的涡轮机中那样。“传统的”交错角理论值为48.5°。
安装角从根和顶部的负2.5°变化至径高中心处的正2.5°。在传统的即参照例中，交错角是48.5°，这是一种优选的方案。不过，如果只是在一较小的限度内，对于安装角5°范围的偏差值，仍会产生效率上的好处。可以预想到，对于5°范围的±2°偏差仍然是有益的，即，安装角差的范围从根部/顶部与中心高处之间的3°至根部/顶部与中心高处之间的7°。但优选把偏差限制在±1°，即范围从4°到6°。
叶片在全高的安装角变动优选为一抛物线形，如图5所示。
翼型截面绕除了后缘25之外的轴，例如前缘24或其他中间的轴线斜扭，在某种程度上可以接受。不过，选择后缘作为转动轴有若干好处。这能保持在静叶片与下游的动叶片之间临界面间隙恒定。这一间隙对动叶片不稳定的气动力有重大影响，同时由于端壁上边界层的增加而影响级效率。其次，加大前缘的曲率，会导致在叶片前缘区域产生“复合偏斜”效应，产生二次流。这些二次流含有与主流平行的涡流，后者在相邻静叶片之间的端壁附近。通过使用本发明的这种复合弯曲叶片，在整个内(即下)半高叶片内，压力面径向朝内，而整个外半高叶片内压力面径向朝外。作用在流体的物体力被在端壁上较高的静压力抵消。这使端壁附近的流速降低，从而减小了磨擦损失。
下面参看图6，它表示出口角α与叶片截面径向高度(图4中33)之间的关系。
在传统的棱柱形的情形中，出口角几乎线性地增加，从叶片根部的大约13°增加至顶部的大约15°。这种开口的增加只是由于叶片节距随半径的增加而增加。在安装有本实施例的、并且具有图5的安装角曲线规定的形状的静叶片的涡轮机级中，出口角从根部的约9.6°变动至中间高度处的约15.6°，在顶部又回到12°。这种不对称性可相似地从叶片节距随半径的增加而增加中导出来，因为喉部随叶片节距的增加而向上游方向移动(在吸力面上)，并且因为喉部增加比叶片节距增加快，因此也比半径增加快。在顶部和根部之间出口角的差别不受在该顶和根部的安装角的影响。
本发明弯曲叶片的效果在于减少流过根和顶部端壁附近高损失区的流量，而增大经过效率更高的中间高度处区域的流量。
本申请人所知最好的棱柱形设计为8°的直的负偏斜，即，其中静叶片在横截面内，相对经过根部的半径以8°的方向朝吸力面偏斜。以这一“最好”的传统设计相比，本发明的弯曲叶片，在一个二级空气涡轮中测试时，显示出0.8％的效率增益。
能够想得出，不仅在静叶栅，而且在下游的动叶栅中也能提高效益，因为减少了流入高第二次损失的端壁区的流量。
当本发明的概念适用于在全高压或中压的汽缸中的连续级中时，在叶片高度随蒸汽密度减小而增加的场合，要使用以下技术：
(a)根部叶片截面的出口角在各级间保持在约9°。
(b)顶部的安装角与根部的相同，即，叶片相对于中间高度截面是对称的；
(c)在中间高度截面处的安装角的选择要使平均喉部(叶片全高的)与在同一级中的棱柱形的保持相等。这能使级反力与相应的传统设计保持在同一等级。
(d)采用安装角在整个叶片高度范围内以抛物线分布作为基设计。
可以看出，对于多级来说，叶片的形式只是简单地依照该级叶片的高度而径向伸延。
虽然本发明已经就低反力涡轮盘和隔板型蒸汽涡轮机中应用“短高”HP/IP静叶片作了描述，但它可以应用到其它类型的轴流涡轮机和压缩机上，和动叶片上以及静叶片上。
根据本发明的涡轮机涉及静叶片在其端部元件之间的结构。叶片与其端部元件成组地整体地机加工或铸造，端部件的截面为环21和环22(图1和图2)。然后机加工叶片单元使之具有必须的精确尺寸和表面光洁度。
图7是两静叶片间喉部通道部分的横截面图。已经发现在端部元件21和22之间的圆角半径对级效率有很大影响。已经发现最适宜的圆角半径范围为喉部尺寸的0.15至0.3倍，这个范围的优选部分为0.2于0.5，特别是0.23。
很显然，因为在顶部的喉部不同于在根部的喉部(由于节距随半径而增加)，最适宜的圆角半径在外端部元件处的会不同于在内端部元件处的。于是，优选的最适宜的半径值为：
    γ圆角，根部＝0.233×孔根部
    γ圆角，顶部＝0.233×孔顶部
不过，在加工过程中，两个不同的半径值要求使用不同的切削刀具，可以折中地只使用一个半径值，该值为上述数值的平均值，即：
Figure A0110889400131
在两级空气涡轮机中使用上述“平均”圆角半径连同所述的“可控流”叶片设计，测试表明，与最好的传统设计的棱柱形静叶片(设置-5°的直的“偏斜”后缘)相比，级效率增益约为1.2％。
为了减小阻塞影响，把叶片后缘下游方向的圆角“流线化”也有益处。这种情形示于图8，其中，图8a表示在后缘25与端壁21之间带有传统圆角的后缘25的后视图，图8b表示同一视图，但带有“流线化的圆角。图8b的局部侧视图示于图8c中，其中，可以清楚地看出，圆角在其最下游点从后缘消失为0。

Claims (18)

1.一种涡轮机，包括一安装在内和外端部元件(21，22)之间的翼型叶片环，在相邻叶片之间的工作流体通道被上述端部元件形成的端壁在横截面内被封闭，其特征在于，在叶片被连接到端部元件处，在叶片翼型表面和端壁之间提供圆角，上述圆角的半径范围为0.15至0.3倍相邻叶片间喉部尺寸。
2.依据权利要求1的涡轮机，其特征在于，上述圆角的半径范围为在叶片根和顶部处所取的相邻叶片间喉部尺寸的平均值的0.15至0.3倍。
3.依据权利要求1的涡轮机，其特征在于，上述圆角的半径范围为分别在叶片根部和顶部处所取的相邻叶片间喉部尺寸的0.15至0.3倍。
4.依据权利要求2或3的涡轮机，其特征在于，圆角半径的放大因子在0.2至0.25的范围内。
5.依据权利要求2或3所述的涡轮机，其特征在于，圆角的放大因子近似为0.23。
6.依据前述权利要求任一项的涡轮机，其特征在于，上述圆角向上述叶片相应的后缘的后方伸延，这个区域的圆角是凹面形的，并且消失于上述相应后缘下游某点的其各自的端壁内。
7.依据前述权利要求任一项的涡轮机，其特征在于，包括一个设置于涡轮工作流体环形通道内的叶片环，每个叶片具有从其在径向内端处的根部到其在径向外端处的顶部至少大体不变的翼型横截面，并且叶片在根和顶部之间大致对称地弯曲，从而使翼型叶片的压力面在根和顶部之间沿径向呈凸形。
8.依据权利要求7的涡轮机，其特征在于，在叶片根和顶部的翼型截面在其自身平面内相对中间高度处的截面转动一范围在5°±2°的角度。
9.依据权利要求8的涡轮机，其特征在于，上述翼型截面在其自身平面内相对中间高度处的截面转动的角度范围为5°±1°。
10.依据权利要求7至9任一项的涡轮机，其特征在于，叶片的全部翼型截面沿在根和顶部之间的一抛物曲线安排。
11.依据权利要求7至10任一项的涡轮机，其特征在于，叶片的后缘从根至顶部之间是直的，在半径方向的叶片压力面凸曲率通过翼型截面绕直后缘的转动位移而获得。
12.如权利要求7至11任一项的涡轮机，其特征在于，叶片是静叶片。
13.依据权利要求12的涡轮机，其特征在于，相邻静叶片之间的喉部对叶片的节距之比给出了叶片的出口角的正弦值，在叶片根部出口角范围为7°至11°。
14.依据权利要求13的涡轮机，其特征在于，上述出口角的范围为8°至10°。
15.依据权利要求13或14的涡轮机，其特征在于，静叶片的中间高度处截面的安装角如下设置：它与根部出口角一起，使整个通道的喉部面积与具有相同交错角的棱柱形叶片的涡轮机的相等。
16.依据权利要求7至15中任一项的涡轮机，其特征在于，它具有适应工作流体的流体密度降低的多个级，其中，在叶片根部的安装角在涡轮各级之间保持不变，而在叶片中间高度处的叶片翼型截面的安装角则使每一级叶片保持预定的喉部面积。
17.依据权利要求16的涡轮机，其特征在于，上述预定的喉部面积是另外的传统的涡轮机在相应级处以棱柱形叶片提供的喉部面积。
18.依据前述权利要求任一项的涡轮机，其特征在于，涡轮机是一蒸汽涡轮机。
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