CN101213353A - 涡轮机叶片 - Google Patents

Abstract

一种涡轮机叶片，包括叶片翼型(21、31)，这些叶片翼型被弯曲，以致倾斜角度(φ)沿着流动通道的宽度(s)可以进行变化并且从毂(2)向着壳体(3)进行减小，该倾斜角度被定义为叶片翼型的积叠线与径向之间的角度并且沿着旋转方向(ω)被测量得到。

Description

涡轮机叶片

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的涡轮机叶片。此外，它还包括涡轮机、尤其是蒸汽轮机的转子和定子，及它还包括具有这种叶片的涡轮机本身。

背景技术

就涡轮机而言，尤其就具有没有扭曲的叶片的涡轮而言，叶片伸展上的级的反作用程度局部偏离平均设计的反作用程度。反作用程度相对于中心部分向着毂减少，同时它向着壳体增大。在这种情况下，反作用程度减少意味着经过该级的定子叶列上的压降相对增加，同时反作用程度增大意味着经过转子叶列上的压降相对增大。即，经过叶片环上的压差在叶片顶部上在每种情况下变大，在叶片顶部上，泄漏损失较大，其结果是产生了溢流，并且易感知地反作用到压差上。

借助叶片翼型来抵消毂处的定子叶片的叶片顶部上的和壳体处的转子叶片的叶片顶部上的泄漏增大，该叶片翼型相对于单纯的径向倾斜一个倾斜角度。溢流损失例如借助定子叶片的叶片翼型可以被减少，该定子叶片借助它们的压力面向着毂倾斜几度。借助相同的表示，如果转子叶片的叶片翼型(airfoil)借助它们的吸气面向着毂倾斜几度，那么溢流损失也被减少了。借助叶片翼型的倾斜，在叶片通道中产生了额外的径向压力场。因此，但是，例如在定子叶片通道处于壳体区域内的情况下，它导致二次流动场进一步被吸入到中心流中，这导致二次流损失增大了。

因此，借助使叶片翼型倾斜，减少了溢流损失，但是另一方面，二次流损失增大了，因此它们的增大很快过度补偿了溢流损失的减少量。因此，借助叶片翼型的倾斜，在溢流损失减少时设定了相对严格的实际极限。

发明内容

除了许多其它的目的之外，本发明的目的是公开了一种在引文部分所述的涡轮机，该涡轮机克服了现有技术的缺点。本发明的目的例如是以这样的方式公开一种涡轮机叶片，即在毂-侧端的区域内，叶片翼型倾斜的优点得到利用，并且位于外叶片环直径上的这个区域内的缺点不会产生。

除了这里所描述的结构与它一起所产生的一系列其它优点之外，描述在权利要求1中的涡轮机叶片还满足这个要求。因此，它涉及具有叶片翼型的涡轮机叶片，其中叶片翼型通过叶片翼型的纵向范围从叶片根部延伸到叶片顶部。在这种情况下，叶片根部具有叶片平台，叶片翼型落座在该叶片平台上。此外，叶片翼型具有所谓的“积叠线”。就定子叶片的实施例而言，这个被限定在叶片翼型的后边缘上，及就转子叶片的实施例而言，它被定义为这样的线，即该线与这样的一些部分上的所有轮廓横截部分的质心互连，即这些横截部分布置在叶片翼型的纵向范围内。扭曲叶片翼型的积叠线可以被理解为这样的线，即叶片翼型环绕着该线扭转地变形或者扭曲，或者被理解为这样的线，即在叶片翼型的纵向范围内相互跟随的所有叶片翼型轮廓环绕着该线被扭曲。

叶片翼型的后边缘在一个实施例中被定义为这些的点的数目，即叶片翼型轮廓的拱形线以该数目在每种情况下穿过流出侧上的叶片翼型轮廓。

叶片翼型的倾斜角度例如参见Traupel：“ThermischeTurbomaschinen”【“Thermal Turbomashines”】Volume 1，1^th edition，springer-Verlag 2001，被定义为这样的角度，即涡轮机中的涡轮机叶片的叶片翼型从径向倾斜一个该角度。在这种情况下，在涡轮机的横截面平面中及沿着圆周方向产生了倾斜。在叶片翼型被扭曲的情况下，在积叠线上测量出倾斜角度，及事实上，它作为这样的角度，即在安装圆周方向和安装径向所跨过的平面上，积叠线的投影与安装径向之间形成该角度。就这里所公开的叶片而言，积叠线以这样的方式进行弯曲，以致倾斜角度沿着叶片翼型的纵向范围改变。在这种情况下，根据本发明倾斜角度沿着叶片翼型的纵向范围在两个不同的区域内进行变化，其中一个区域延伸到0.7±0.1的相对叶片长度上，并且倾斜角度为7±3度，及邻近它的第二区域延伸到1的相对叶片长度，及在第二区域的端部上，倾斜角度刚好是0±2度。的变化从毂到壳体变得更小。

对于叶片的安装方向的定义，下面是应该注意的：用在涡轮机中的涡轮机叶片具有限定好的几何参数，这些几何参数确保涡轮机内的叶片的功能性能。从这点来看，涡轮机叶片、尤其是涡轮机叶片的叶片翼型的几何形状特别适合于安装状态。所提供的安装位置因此一定得已经被认为是涡轮机叶片本身的特征，因为涡轮机叶片的整个设计被定位成朝向安装位置。因此，考虑涡轮机叶片本身，根据流动方向，在涡轮机露出到轴向通流的情况下，已经谈及沿着涡轮机半径的安装径向、沿着涡轮机的圆周方向的安装圆周方向和沿着涡轮机的轴向的安装轴向是有理由的，并且使用这些作为叶片本身的明确和清楚的特征。在这个基础上，也可以为叶片确定倾斜角度。根据Traupel：“Thermische Turbomaschinen”【“Thermal Turbomashines”】Volume1，4^th edition，springer-Verlag 2001，P.326，para.7.3.2，在安装径向和安装圆周方向所跨过的平面中，限定出这种情况下的倾斜角度。在这里所描述的涡轮机叶片的一个实施例中，叶片翼型的弯曲部是两维的并且位于这样的平面中，即该平面为安装径向和安装圆周方向所跨过。

在涡轮机叶片的一个实施中，倾斜角度也可以定义为积叠线与叶片平台之间的角度的互补角度。

所要求保护的主题借助具有扭曲叶片翼型的叶片和没有扭曲的叶片翼型来实现。

借助没有扭曲的叶片翼型，来理解根据严格几何定义作为母线沿着作为准线的叶片翼型轮廓平行移动的结果所产生的叶片翼型。这种情况下的母线可以是直的或者也可以是弯曲的，但是，在母线沿着叶片翼型轮廓进行每个移动的情况下，母线的每个点移动一个相同量并且沿着相同的方向。在沿着准线进行运动期间，因此母线只是单纯的平移，并且没有旋转运动。这种情况下的弯曲母线限定出弯曲的但没有扭曲的叶片翼型。

关于涡轮机叶片的所设想的安装位置，叶片翼型具有毂-侧端和壳体-侧端。在本发明的一个实施例中，在叶片翼型的毂-侧端的区域内的倾斜角度根据量值大小大于壳体-侧端的区域内的倾斜角度。

因此，涡轮机定子叶片包括叶片根部和叶片顶部，其中叶片根部布置在叶片翼型的壳体-侧端，及叶片顶部布置在叶片翼型的毂-侧端上，其特征在于，叶片顶部区域内的倾斜角度根据大小大于(7±3度)叶片根部区域内的倾斜角度(区域端部处的0±2度)。涡轮机转子叶片包括叶片根部和叶片顶部，其中叶片根部布置在叶片翼型的毂-侧端上，及叶片顶部布置在叶片翼型的壳体-侧端上，其特征在于，叶片根部区域内的倾斜角度根据大小大于(7±3度)叶片顶部区域内的倾斜角度(区域端部处的0±2度)。在具有略微不同的倾斜角度的两个区域之间的边缘位于0.7±0.1的相对叶片长度上。

如果叶片翼型布置有倾斜角度，那么这意味着，叶片翼型的压力面和吸气面被定向成沿着安装径向朝内或者朝外。在涡轮机定子叶片的一个实施例中，积叠线即叶片的后边缘以这样的方式进行弯曲，以致在位于叶片翼型的毂-侧端上的叶片顶部的区域内，叶片翼型的压力面被定向成沿着安装径向朝内，即位于毂-侧上。因此，定子叶片的压力面以远离位于叶片顶部区域内、至少位于叶片翼型后边缘上的叶片平台的方式被定向。位于后边缘区域内的定子叶片的叶片翼型凸起地弯向压力面，即弯曲的弯曲部分指向压力面。在定子叶片的一个改进中，积叠线在根部区域内延伸，即至少径向地位于叶片翼型的壳体-侧端，或者叶片翼型借助后边缘区域内的压力面被定向成沿着安装径向朝外，即位于壳体侧或者向着叶片平台。在涡轮机根部叶片的一个实施例中，积叠线以这样的方式被弯曲，以致在叶片根部的区域内，即位于叶片翼型的毂-侧端，叶片翼型的吸气面在最大轮廓厚度的区域内被定向成沿着安装径向朝内，即位于毂侧上。因此，转子叶片的吸气面在叶片根部的区域内被定向成向着叶片平台，至少在最大轮廓厚度的区域内。转子叶片的叶片翼型在最大轮廓厚度的区域内凸起地弯向吸气面，即弯曲的弯曲部分指向吸气面。在转子叶片的一个改进中，积叠线在顶部区域内延伸，即至少径向地在叶片翼型的壳体-侧端上，或者叶片翼型借助吸气面被定向成沿着安装径向朝外，即处于壳体侧上，或者以远离叶片平台的方式。

上述那种结构的涡轮机叶片例如适合于作为露出到轴向通流中的叶栅的叶片。在一个实施例中，它涉及一种蒸汽轮机、尤其是高压或者中压蒸汽轮机的叶片。具有涡轮叶片的所描述的那种结构具有非常好的效果，该结构用在毂-叶端比为0.60到0.95的涡轮中。

前面所述的那种涡轮机叶片适合用于涡轮机、尤其是燃气涡轮或者蒸汽轮机的定子，其中该定子包括具有上述那种结构的定子叶片的至少一个叶列，或者适合于用在涡轮机例如燃气涡轮或者蒸汽轮机的转子中，其中该转子包括具有上述那种涡轮机转子叶片的至少一个叶列。

涡轮机例如燃气涡轮或者蒸汽轮机、尤其是高压或者中压的蒸汽轮机包括前面所描述的结构形式的转子和/或定子。在一个实施例中的这种涡轮机包括涡轮级、定子叶片和转子叶片，其中涡轮机叶片是上述的具有弯曲叶片翼型的涡轮机叶片。

附图说明

后面参照附图中所示出的示例性实施例来更加详细地解释本发明。具体地说，在附图中：

图1示出了涡轮机的示意图；

图2示出了上述那种涡轮机的转子叶片的透视图；

图3和4示出了从视图的另一个方向所看去的、图2的转子叶片的视图；

图5示出了根据上述那种结构的涡轮机的定子叶片；

图6和7示出了从视图的其它方向所看去的图5的定子叶片的视图；

图8示出了具有上述那种叶片的涡轮机的一部分横截面和叶片翼型的整个纵向范围的倾斜角度的有利变形。

为了理解本发明，因此不重要的元件被省去了。示例性实施例只是教导性的理解而不能被认为是权利要求所记载的本发明的限制。

具体实施方式

为了清楚起见，根据具有未扭曲的叶片翼型的叶片，在下面示例性实施例中示出本发明。本领域普通技术人员容易处于对形成扭曲叶片的概括的位置上，其中在从未扭曲的叶片转换到扭曲的叶片期间，根据定义，叶片翼型的积叠线在每种情况下保持不变。

在图1中，示意性地示出了涡轮例如高压蒸汽轮机1。示例性示出的涡轮被露出到从左到右的工作流体的通流中。涡轮包括转子和定子。在这些之中，转子包括轴2和转子叶片21。其中，定子包括壳体3和定子叶片31。涡轮级在每种情况下包括定子叶片环和转子叶片环，该转子叶片环布置在它的下流处。在定子叶片31和轴2之间及在转子叶片21和壳体3之间，具有一些间隙，泄漏流通过这些间隙溢出，没有被使用，其结果是，减少了能量转换效率。如果甚至到达更小的程度，那么通过具有罩的叶列，也产生了泄漏损失。在间隙区域内叶片环上的压力降更大，那么这些泄漏损失更大。把级压力降分配到涡轮级的定子叶片环和转子叶片环上的方法是反作用的程度。通过许多通用的和其它非常有利的叶片翼型形状，将压力减少量分配到叶片翼型的纵向范围上的定子叶片环和转子叶片环上的分配发生。因此，在毂侧上即轴上的经过叶片环上的压力降增大了，同时毂侧上即轴上的经过叶片环上的压力降小于壳体侧的。这就是说，在定子叶片和转子叶片上，该压差在间隙处所计算出的每种情况下最大。随着毂-叶端比变得更小，这个效果增大了许多。在这种情况下，毂-叶端比被定义为轴直径对壳体内径或者叶片环外径的比率。

在图2中，示出了在这里所提出的这种结构的转子叶片。转子叶片21包括叶片翼型22和叶片根部23。这个例子中的叶片根部23设置有杉木树形的固定元件从而把叶片固定在轴上，及支撑平台24，叶片翼型22布置在该平台24上。叶片根部的形状与本发明无关。借助它的应用来确定叶片的几何形状。因此，限定出安装径向R、安装圆周方向U和安装轴向L。叶片翼型具有压力面25、吸气面26、顶侧端部27和根侧端部28。点划线所示的积叠线29沿着与叶片轮廓的重心互连的线进行延伸，这些叶片轮廓沿着叶片翼型的纵向范围布置。通过所示出的这种转子叶片，该叶片被固定在涡轮机的轴上，叶片翼型的根侧端部28也是毂-侧端部，同时顶-侧端部是壳体侧端部。在叶片根部的区域内，积叠线沿着安装圆周方向以这样的方式进行倾斜，以致叶片翼型的吸气面26向着叶片平台24定向，或者以另一种来表达，即以这样的方式进行倾斜，以致叶片翼型的吸气面沿着安装径向向内地定向。通过所示出的叶片，这种表示被如此地定向，以致积叠线专门沿着安装圆周方向进行倾斜。此外，这个例子中的叶片翼型以这样的方式进行弯曲，以致积叠线在叶片顶部27的区域内单纯地沿着径向进行延伸。积叠线的倾斜部分和弯曲部分的几何形状和叶片翼型的几何形状在图3和4中变得更加清楚。在这些情况下，图2所示的叶片沿着安装轴向L的方向沿着看去的方向被示出在图3中，并且沿着安装圆周方向U沿着看去的方向被示出在图4中。在图3中，倾斜角度被画入，角度α也被画入，其中角度α是倾斜于叶片翼型吸气面的积叠线与叶片平台或者毂的切线之间的角度。倾斜角度在叶片翼型的根-侧端部或者毂-侧端部上最大(在这种情况下，根据本发明，它的范围为7±3度)，并且沿着安装径向减小。在转子叶片翼型的顶-侧端部上，这个角度变得较小，例如变成0，如在本例子中一样，或者它甚至改变正负号。这个端区域中的倾斜角度优选为0±2度。积叠线与叶片平台或者毂的切线之间的角度α在根-侧端部上小于90度并且向着顶-侧端部或者壳体侧端部变得越大。如结合图4中清楚地看到的那样，积叠线只在安装圆周方向U和安装径向方向R所跨过的平面上弯曲。在安装径向R和安装轴向L所跨过的平面中，积叠线29没有弯曲。

所提出的这种定子叶片示出在图5到7中。定子叶片31包括叶片翼型32，该叶片翼型在叶片根部33上布置有平台34。叶片翼型具有压力面35、吸气面36、根-侧端部38和顶-侧端部37。积叠线39位于叶片的后边缘上。通过所示出的定子叶片，顶-侧端部也同时是毂-侧端部，该毂-侧端部在安装期间变成位于涡轮机的轴上。根-侧也是壳体-侧端部。在叶片顶部37的区域内，积叠线以这样的方式沿着安装圆周方向具有倾斜，以致后边缘区域内的叶片翼型的压力面沿着安装径向向内地定向，即向着毂定向，同时所示出的这个实施例的叶片翼型在根部区域38内沿着径向延伸。图5中的VI所示的视图被示出在图6中。沿着叶片翼型纵向可以改变的倾斜的局部角度在这种情况下借助来表示。积叠线被定向成向着压力面，并且在安装状态下与毂的切线成角度β。这个角度在叶片翼型的毂-侧端部上小于90度，并且向着壳体-侧端或者根-侧端变成更大。与图7所示的视图相结合，沿着VII所示的视图的方向，它变得很清楚，即弯曲部又双维地位于安装圆周方向U和安装径向R所跨过的平面中。

应该注意到，在前面所示出的示例性例子中，倾斜角度一般示成特别大，这是为了改善表示。在所描述的叶片的一个实施例中，叶片翼型的毂侧端上的倾斜角度典型地在7±3度的范围内改变，优选为在6到8度的范围内，以便在壳体的区域内变成更小，及在实施例中形成为返回到0，或者甚至到负值，其中＝0±2度，及根据定义，例如参见上面引用的Traupel，叶片翼型沿着旋转方向与毂相倾斜、即在定子叶片情况下向着压力面和在转子叶片的情况下向着吸气面倾斜的倾斜角度被计算为正角度。

在图8中，示出了具有上述叶片的涡轮机的示意性横截面和叶片翼型整个长度上的倾斜角度的示例性变形。涡轮机的轴2、壳体3和转子叶片21和定子叶片31的叶片翼型在每种情况下以横剖视图示出。转子的旋转方向用ω来表示，及叶片翼型的倾斜角度用来表示。S表示通道高度S₀的径向坐标，该通道形成在壳体和轴之间。在通道高度上或者在叶片翼型的整个纵向上的倾斜角度的示例性变形被表示在图中。

根据本发明，一直到0.7±0.1的相对叶片长度(大约与图8的图的0.7±0.1的比率s/s₀相对应)的倾斜角度是7±3度，根据图8的示例性实施例大约为8度，同时在相对叶片长度超过它的情况下，倾斜角度更小，直到在相对叶片长度为1的情况下，倾斜角度是＝0±2度。示出在图8的下部中的弯曲部分因此清楚地被分成两个区域。

根据这些实施例的教导，本发明的其它实施例对于本领域普通技术人员来讲被公开了，这些实施例的特征记载在权利要求中，但没有明确地描述在示例性实施例中。

目录表：

1涡轮机，蒸汽轮机

2轴

3壳体

21转子叶片

22转子叶片翼型

23转子叶片根部

24叶片平台

25压力面

26吸气面

27叶片翼型的顶-侧端或者壳体-侧端

28叶片翼型的根-侧端或者毂-侧端

29转子叶片翼型的积叠线

31定子叶片

32叶片翼型

33叶片根部

34叶片平台

35压力面

36吸气面

37叶片翼型的顶-侧端或者毂-侧端

38叶片翼型的根-侧端或者壳体-侧端

39定子叶片翼型的积叠线

L安装轴向

R安装径向

U安装圆周方向

s径向坐标

S₀叶片伸展

倾斜角度

α在吸气面侧上所倾斜的积叠线和毂的切线之间的角度

β在压力面侧上所倾斜的积叠线和毂的切线之间的角度

ω旋转方向

Claims (18)

1.一种涡轮机叶片(21、31)，包括叶片翼型(22、32)，叶片翼型通过叶片翼型的纵向范围从叶片根部(23、33)延伸到叶片顶部(27、37)，其中涡轮机叶片具有安装径向(R)、安装圆周方向(U)和安装轴向(L)及积叠线(29、39)，其中倾斜角度被定义为在安装圆周方向(U)和安装径向(R)所跨过的平面中积叠线的投影与安装径向(R)之间的角度，其特征在于，倾斜角度()沿着叶片翼型的纵向范围进行变化。

2.根据权利要求1所述的涡轮机叶片，其特征在于，倾斜角度()沿着叶片翼型的纵向范围在两个不同的区域内进行变化，其中一个区域延伸到0.7±0.1的相对叶片长度上，并且具有7±3度的倾斜角度()，及邻近它的第二区域延伸到1的相对叶片长度，及在第二区域的端部上，倾斜角度()刚好是0±2度。

3.根据前述权利要求任一所述的涡轮机叶片，其特征在于，定子叶片的积叠线位于叶片的后边缘(39)上，及转子叶片的积叠线是与所有轮廓横截部分的质心互连的线(29)，这些横截部分布置在叶片翼型的纵向范围上。

4.根据前述权利要求任一所述的涡轮机叶片，其特征在于，积叠线(29，39)在安装圆周方向(U)和安装径向(R)所跨过的平面上进行两维弯曲。

5.根据前述权利要求任一所述的涡轮机叶片，其特征在于，叶片翼型具有毂-侧端(28、37)和壳体-侧端(27、38)，在毂-侧端的区域内的倾斜角度大于壳体-侧端的区域内的倾斜角度。

6.根据前述权利要求任一所述的涡轮机叶片，其特征在于，涡轮机定子叶片(31)包括叶片根部(33)和叶片顶部(37)，其中在叶片顶部的区域内，叶片翼型的压力面(35)被定向成沿着安装径向朝内，并且积叠线(39)凸起地弯向压力面。

7.根据权利要求6所述的涡轮机定子叶片，其特征在于，叶片翼型至少径向地在根部区域延伸，或者借助压力面被定位成沿着安装径向朝外。

8.根据前述权利要求任一所述的涡轮机叶片，其特征在于，涡轮机转子叶片(21)包括叶片根部(23)和叶片顶部(27)，在叶片根部的区域内，叶片翼型的吸气面(26)被定向成沿着安装径向朝内，及积叠线(29)凸起地弯向叶片翼型的吸气面。

9.根据权利要求8所述的涡轮机转子叶片，其特征在于，叶片翼型至少沿着径向延伸到顶部区域中，或者借助吸气面被定向成沿着安装径向朝外。

10.根据前述权利要求任一所述的涡轮机叶片，其特征在于，叶片翼型是没有扭曲的叶片翼型，没有扭曲的叶片翼型以这样的方式被弯曲，以致叶片翼型的压力面与叶片根部的平台(24、34)之间的角度沿着翼的纵向范围改变。

11.根据前述权利要求任一所述的涡轮机叶片，其特征在于，它是用于露出到轴向通流中的叶栅的叶片。

12.根据前述权利要求任一所述的涡轮机叶片，其特征在于，作为蒸汽轮机的叶片。

13.一种涡轮机、尤其是蒸汽轮机的定子，包括具有根据权利要求6和7中的任一所述的涡轮机定子叶片的至少一个叶列。

14.一种涡轮机、尤其是蒸汽轮机的转子，包括具有根据权利要求8和9中的任一所述的涡轮机转子叶片的至少一个叶列。

15.一种涡轮机，尤其是蒸汽轮机，包括根据权利要求13所述的定子。

16.一种涡轮机，尤其是蒸汽轮机，包括根据权利要求14所述的转子。

17.一种涡轮机，尤其是蒸汽轮机，包括根据权利要求13所述的定子和根据权利要求14所述的转子。

18.一种涡轮机，尤其是蒸汽轮机，包括：至少一个涡轮级；定子叶片，其中该定子叶片是根据权利要求6或者7所述的定子叶片；及转子叶片，其中该转子叶片是根据权利要求8或者9所述的转子叶片。

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