CN101326342B - 涡轮机叶片 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮机、特别是汽轮机的叶片(31)，其特征在于：在叶身(34)的中部区域内的弦长(sm)小于在叶身的顶部侧(35)或者根部侧(33)的区域内的弦长(s0，s1)。由此实现了疑惑参数在叶身纵向延伸上的分布，该分布使得所提出的叶片的叶栅的损失最小化。

Description

涡轮机叶片
技术领域
本发明涉及一种涡轮机叶片。另外，本发明还涉及一种涡轮机的、尤其是汽轮机的转子和定子以及包括这种叶片的涡轮机本身。
背景技术
在一个叶栅、例如在涡轮机的导向叶片排或者工作叶片排中，流动损失通过所谓的“栅距比”决定性地被影响。栅距比被定义为一个叶片排的两个相邻叶片之间的距离，与叶片的弦长有关。在此，该距离通常在栅的中部区段内被确定，并且从而由在中部区段半径上确定的周长得出，与该叶片排的叶片数有关。在此，较大的栅距比首先导致较小的型面损失，因为润湿的表面并且从而在叶片临界层中产生的摩擦损失减小。另一方面，在外部的通道边界壁上(在该通道边界壁中流动通道由轮毂或者壳体限定)，在那儿产生的所谓的二次涡流随着栅距比的升高而在其膨胀和强度方面增大，使得从确定的栅距比起由二次涡流导致的损失过度补偿摩擦损失的减少。与此对应地得到导致最小损失的最佳栅距比。叶栅经常以这种栅距比或者一种与该最佳栅距比非常接近的栅距比进行设计。在叶片顶端上由工作流体的过流导致的损失同样随着栅距比上升。
发明内容
除了大量的其它目的之外，本发明的一个目的是给出一种新的涡轮机叶片，它基于按开头所述类型的涡轮机叶片。特别地应该给出一种按开头所述类型的涡轮机叶片，它允许叶栅总损耗的进一步减少。
根据本发明，提出一种涡轮机叶片，其包括一个叶身，该叶身以一个叶身纵向延伸从一根部侧的端部延伸至一顶部侧的端部，并且该叶身具有一个叶身前缘和一个叶身后缘，其中，Zweifel参数在该叶身的纵向延伸上被可变地调节出，使得所属的叶栅的损失被最小化，其中，叶身的弦长沿着叶身纵向延伸变化。
以上给出的涡轮机叶片满足这一点，还具有一些其它的优点，在那儿描述的结构方式带来这些其他的优点。叶片具有在叶身纵向延伸上可变的弦长。从而Zweifel参数(Zweifel-Parameter)在叶身的纵向延伸上被可变地调节出，使得所属叶栅的损失被最小化，该Zweifel参数的定义和意义对于本领域技术人员来说是熟悉的。在此，Zweifel参数被这样调节出，使得其在叶身中部区域内比在顶部侧的或者根部侧的端部上更大。在本发明的一个实施形式中，弦长分布力求使得无量纲的Zweifel参数在中部区域内达到约0.9的值，以便理想地在叶身的顶部侧或者根部侧的端部上下降到约0.7的值；实际上通常不能达到这种理想化的分布并且取而代之的是力求一种实用的近似。
在这里所述的涡轮机叶片中，有意地偏离按传统标准设计的最佳的、恒定的栅距比并且考虑型面损失的提高，这令人意想不到地导致总损失的进一步减小。
叶身的根部侧的区域在此理解成叶身的这样的端部，叶身用该端部连接到叶根上，叶身用该叶根固定在转子或者定子中。叶身的顶部侧的区域相应于与叶身的与根部侧的区域相反地设置的端部。在导向叶片中，顶部侧的端部相应于叶身的轮毂侧的端部、即叶身的在安装状态下靠触在涡轮机的轮毂上的端部。导向叶片叶身的根部侧的端部因此也是壳体侧的端部。在工作叶片的叶身中，根部侧的端部是径向内部的轮毂侧的端部并且顶部侧的端部是径向外部的壳体侧的端部。所述的叶片特征尤其在于，叶身在根部侧的端部上具有一个根部侧的弦长，在顶部侧的端部上具有一个顶部侧的弦长，并且在所述纵向延伸的中部区域内具有一个弦长，该中部区域内的弦长不仅小于根部侧的弦长而且小于顶部侧的弦长。叶身具有一个最大弦长，该最大弦长在一种实施形式中出现在叶身的顶部侧的端部上、出现在叶身根部侧的端部上，或者不仅出现在叶身的顶部侧的端部上而且出现在根部侧的端部上。
在本发明一种实施形式中，在所述纵向延伸的中部区域内的弦长在最小弦长的位置上具有小于最大弦长的90％、尤其是小于85％或者小于82％的值。在一种进一步方案中，在所述纵向延伸的中部区域的弦长在最小弦长的位置上具有大于最大弦长的70％、尤其是大于75％或者大于78％的值。
在作为涡轮机工作叶片、尤其是作为用于无围带的工作叶片排的涡轮机工作叶片的这里所述的涡轮机叶片的一种进一步方案中，根部侧的弦长小于顶部侧的弦长；例如根部侧的弦长小于顶部侧弦长的95％并且在一种进一步方案中大于顶部侧弦长的90％。由于强度原因必要的是，叶身的根部侧的弦长必须选择成等于或者甚至大于顶部侧的弦长；后述情况尤其是出现在具有围带元件的工作叶片中。
在涡轮机导向叶片中，根部侧的弦长选择成大于顶部侧的弦长，使得根部侧的弦长是最大的弦长。
在根部侧的弦长是最大的弦长的叶片中，特别的实施形式选择成顶部侧的弦长小于根部侧的弦长的95％和/或大于根部侧的弦长的90％。
在涡轮机叶片的一个实施形式中，叶身被这样实现，使得叶身的流出角在整个叶身纵向延伸上基本上是恒定的。也就是说，在沿所述叶身纵向延伸的方向的每个位置上在叶身后缘上的叶身型面(Profil)的骨架线基本上彼此平行地延伸；在所述叶身纵向延伸的不同位置上的偏差最大为10°并且尤其是最大为6°并且在另一实施形式中甚至最大为4°或者5°。在此，在一种实施形式中，在叶身的中部区域中的断面曲率大于在顶部侧或者根部侧的区域内的断面曲率，因为由于较小的弦长空气动力学的载荷是较大的。
本发明主要适合于构造成汽轮机叶片。
上述类型的涡轮机叶片例如适合作为用于设置在涡轮机转子的工作叶片排中的工作叶片。另外，它们还适合于作为用于设置在涡轮机定子的导向叶片排中的导向叶片。
本发明也包括一种涡轮机，尤其是一种汽轮机，该包括一个具有至少一个叶片排的转子，该叶片排具有上述结构方式的叶片，和/或它包括一个具有至少一个导向叶片排的定子，该导向叶片排具有上述结构方式的叶片。
附图说明
下面借助于在附图中所示的实施例详细解释本发明。其中：
图1是一个涡轮机的示意图，
图2示出在权利要求中表征类型的不扭曲的导向叶片的第一示例，
图3示出在权利要求中表征类型的不扭曲的导向叶片的第二示例，
图4示出在权利要求中表征类型的扭曲的导向叶片的第一示例，
图5示出在权利要求中表征类型的扭曲的导向叶片的第二示例，
图6示出在权利要求中表征类型的工作叶片的第一示例，
图7示出在权利要求中表征类型的工作叶片的第二示例。
具体实施方式
省略掉对于理解本发明不必需的元件。这些实施例仅应被理解为是纯启发性的，并且不应该视为对权利要求中表征的本发明的限制。
在图1中示意性示出一个涡轮机1、例如一个高压汽轮机。示例表示的涡轮机被工作流体从左到右流过。该涡轮机包括一个转子和一个定子。转子主要包括轴2以及工作叶片21。定子主要包括一个壳体3和导向叶片31。一个涡轮机的一个级分别包括一个导向叶片环和一个设置在该导向叶片环下游的工作叶片环。
在图2中示出一个示例的导向叶片31。该导向叶片包括一个叶根32、一个叶片平台33以及一个设置在该平台上的叶身34。没有示出叶片的围带；这不表示任何限制。本发明也能以类似的方式在具有围带元件的叶片上实现。所示叶片的特征在于，叶身的弦长沿着叶身纵向延伸变化。在此，叶身中部区域内的弦长sm小于叶根区域内的弦长s0并且小于叶片顶端35区域内的弦长s1。另外，叶根区域内的弦长s0大于叶片顶端区域内的弦长s1。后者不是必需的，但是在部分情况下被证实是有利的，因为在导向叶片环的情况下两个叶片之间在叶根区域中的距离大于在叶片顶部区域中的距离；首要地，叶身中部区域内的弦长缩短是决定性的，以便在那儿得到相对于顶部区域和根部区域的Zweifel参数的增大。在叶身的纵向延伸中示例地表示三个叶身型面340、341、342。它们的特征分别在于其骨架线350、351和352以及其轮廓。骨架线在叶片前缘上或者在叶片后缘上的切线基本上与叶身型面的符合设计规定的入流方向和流出方向相同。在所有在此所示的型面中，这些方向是相同的，因为涉及的是不扭曲的叶片。另外，这些型面特征在于最大的叶型厚度，所述叶型厚度在不同的型面中用d0、d1和dm表示。在本发明的一种实施形式中，弦长越小，最大的叶型厚度就越大，因为随着弦长变小空气动力学的载荷增大。例如在本发明的一种实施形式中，具有最短弦长的型面342的最大叶型厚度dm是最大的。
在图2的实施例中，弦长的缩短通过画出叶片后缘的轮廓得到。图3清楚地示出，弦长的期望的变化也可以通过画出叶片前缘的轮廓获得。在另一未详细示出的实施形式中不仅画出前缘的轮廓而且画出后缘的轮廓；这种可能性当然也存在本发明的所有下面描述的进一步方案中并且经常应用在实际中。
在图4和5中示出一个具有扭曲的叶身的、示例的导向叶片。再次在叶身34的纵向延伸中以横截面图示出叶身型面340、341和342。在所有叶身型面中，流出方向基本上是相同的。相反，流体转向由叶根32向着叶片顶端35减少。也就是说，在叶身纵向延伸中，名义上的流入方向从叶根朝叶片顶部观察越来越接近流出方向。叶身中部内的弦长sm小于叶根上的弦长s0并且小于叶片顶端上的弦长s1。此外，叶根上的弦长s0大于在叶片顶端上的弦长s1；上述的注释在此也适用。图5又示出，弦长的变化也可以通过画出叶片前缘的轮廓实现，或者也通过不仅画出叶身前缘的轮廓而且画出叶身后缘的轮廓实现。
在图6中示出本发明在工作叶片21上的转用。该工作叶片包括一个叶根22、一个叶片平台23、一个叶身24以及叶片顶端25。又示例地示出叶身的三个位置的横截面。在此240表示在叶根区域中的叶身型面，241表示在叶片顶端处的叶身型面，并且242表示在叶身中部的叶身型面。在前缘和后缘上的叶身型面的骨架线的方向和切线分别基本上相等，也就是说，涉及的是不扭曲的叶身。在叶身中部的叶身型面242的弦长sm比位于叶根区域中的型面240的弦长s0和位于叶片顶端上的型面241的弦长s1短。从流动技术的角度来说在此可能又期望的是，叶根区域中的弦长s0小于叶身顶端25区域中的弦长s1，如示例地示出的那样。另一方面，在工作叶片的情况下，叶根区域中的叶身横截面必需承载整个叶身的离心力载荷。当在叶身上在顶部区域中设置一个围带元件的情况下，这一点更加突出。因此在工作叶片的情况下，在本发明的一个未示出的实施形式中，叶根区域中的弦长s0根据需要被选择得等于或者甚至大于叶片顶端25区域中的弦长s1。叶身中部的叶身型面242由于较短的弦长具有一个比叶根上的型面240的叶型厚度d0和叶身顶端上的型面241的叶型厚度d1大的叶型厚度dm。
在图6的实施例中画出叶身后缘的轮廓，而在图7的实施例中画出叶身前缘的轮廓。对于本领域技术人员来说显而易见的是，在未详细示出的实施形式中不仅可画出前缘的轮廓而且可画出后缘的轮廓。
在这些实施形式的启示下对于本领域技术人员来说随便就能实现在权利要求书中表征的本发明的、在实施例中未详细描述的其它实施形式。本发明特别是也可以应用在具有其它几何特征(例如叶身的倾斜或弯曲)或者具有所谓的“扭转”或者“弯掠”的叶片中，其中，上述概念对于本领域技术人员来说是常见的。
参考标号表
1涡轮机、汽轮机
2轴
3壳体
21工作叶片
22工作叶片叶根
23工作叶片平台
24叶身
25叶片顶端
31导向叶片
32导向叶片叶根
33导向叶片平台
34叶身
35叶片顶端
240叶身型面
241叶身型面
242叶身型面
250骨架线
251骨架线
252骨架线
340叶身型面
341叶身型面
342叶身型面
350骨架线
351骨架线
352骨架线
d0一个叶身型面的最大叶型厚度
d1一个叶身型面的最大叶型厚度
dm一个叶身型面的最大叶型厚度
s0弦长
s1弦长
sm弦长

Claims (26)

1.一种涡轮机叶片(21、31)，其包括一个叶身(24、34)，该叶身以一个叶身纵向延伸从一根部侧的端部(23、33)延伸至一顶部侧的端部(25、35)，并且该叶身具有一个叶身前缘和一个叶身后缘，其特征在于：Zweifel参数在该叶身的纵向延伸上被可变地调节出，使得所属的叶栅的损失被最小化，其中，叶身的弦长沿着叶身纵向延伸变化。
2.按权利要求1所述的涡轮机叶片，其特征在于：所述Zweifel参数被这样调节出，即叶身中部区域内的弦长(sm)小于叶根区域内的弦长(s0)并且小于叶片顶端35区域内的弦长(s1)，使得该Zweifel参数在叶身中部区域内比在顶部侧或者根部侧的端部上大。
3.按权利要求2所述的涡轮机叶片，其特征在于：在所述纵向延伸的一位置上分别确定了一个从叶身前缘至叶身后缘的弦长(s0、s1、sm)，并且弦长分布力求使得中部区域内的无量纲的Zweifel参数达到约0.9的值，以便在叶身的顶部侧的或者根部侧的端部上降低到约0.7的值。
4.按权利要求3所述的涡轮机叶片，其特征在于：叶身在根部侧的端部上具有一个根部侧的弦长(s0)、在顶部侧的端部(25、35)上具有一个顶部侧的弦长(s1)并且在所述纵向延伸的中部区域内具有一个弦长(sm)，该中部区域内的所述弦长不仅小于根部侧的弦长而且小于顶部侧的弦长。
5.按权利要求4所述的涡轮机叶片，其特征在于：叶身型面分别具有一个最大的叶型厚度(d0、d1、dm)，并且相应的弦长越小，则最大的叶型厚度越大，因为空气动力学的载荷随着弦长的变小而增大。
6.按权利要求4所述的涡轮机叶片，其特征在于：该涡轮机叶片在叶身的至少一个部位上具有一个最大的弦长，其中，该叶身的最大弦长出现在：顶部侧的端部上或根部侧的端部上，或者不仅出现在顶部侧的端部上而且出现在根部侧的端部上。
7.按权利要求6所述的涡轮机叶片，其特征在于：在所述纵向延伸的中部区域内的弦长作为最小的弦长，其值小于叶身的最大弦长的90％。
8.按权利要求7所述的涡轮机叶片，其特征在于：在所述纵向延伸的中部区域内的弦长(sm)作为最小的弦长，其值大于叶身的最大弦长的70％。
9.按权利要求6至8中任一项所述的涡轮机叶片，其作为涡轮机工作叶片(21)，其特征在于：顶部侧的弦长(s1)是最大的弦长，其中，根部侧的弦长小于或者最多等于顶部侧的弦长。
10.按权利要求6所述的涡轮机叶片，其特征在于：该涡轮机叶片是一种用于无围带的工作叶片排的工作叶片。
11.按权利要求6至8中任一项所述的涡轮机叶片，其作为具有一围带元件的工作叶片，其特征在于：根部侧的弦长(s0)是最大的弦长，其中顶部侧的弦长(S1)小于或者基本上等于根部侧的弦长。
12.按权利要求6至8中任一项所述的涡轮机叶片，其作为涡轮机导向叶片(31)，其特征在于：根部侧的弦长(s0)是最大的弦长。
13.按权利要求9所述的涡轮机叶片，其特征在于：根部侧的弦长小于顶部侧的弦长的95％。
14.按权利要求9所述的涡轮机叶片，其特征在于：根部侧的弦长大于顶部侧的弦长的90％。
15.按权利要求11所述的涡轮机叶片，其特征在于：顶部侧的弦长小于根部侧的弦长的95％。
16.按权利要求11所述的涡轮机叶片，其特征在于：顶部侧的弦长大于根部侧的弦长的90％。
17.按权利要求1至8中任一项所述的涡轮机叶片，其特征在于：在叶片后缘上的叶片型面的局部骨架线的方向在叶身的沿叶身纵向延伸的方向测量的每个位置上彼此偏离最大10°。
18.按权利要求1至8中任一项所述的涡轮机叶片，其作为汽轮机叶片。
19.按权利要求7所述的涡轮机叶片，其特征在于：所述最小的弦长的值小于叶身的最大弦长的85％。
20.按权利要求7所述的涡轮机叶片，其特征在于：所述最小的弦长的值小于叶身的最大弦长的82％。
21.按权利要求8所述的涡轮机叶片，其特征在于：所述最小的弦长的值大于叶身的最大弦长的75％。
22.按权利要求8所述的涡轮机叶片，其特征在于：所述最小的弦长的值大于叶身的最大弦长的78％。
23.按权利要求17所述的涡轮机叶片，其特征在于：在叶片后缘上的叶片型面的局部骨架线的方向在叶身的沿叶身纵向延伸的方向测量的每个位置上彼此偏离最大5°。
24.一种涡轮机的转子，其包括至少一个工作叶片排，该工作叶片排的工
作叶片是按上述权利要求中任一项所述的涡轮机叶片。
25.一种涡轮机的定子，其包括至少一个导向叶片排，该导向叶片排的导向叶片是按权利要求1至23中任一项所述的涡轮机叶片。
26.一种涡轮机，尤其是汽轮机，其包括一个按权利要求24所述的转子和/或一个按权利要求25所述的定子。
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