CN101769169A - 用于减少叶片尖端损失的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种系统包括无围带涡轮叶片的翼片部(100)，翼片部包括各自从根表面(106)延伸到尖端表面(108)并且在前缘(110)和后缘(112)处接合的压力侧表面(102)和吸入侧表面(104)，压力侧表面具有大致凹入的形状而吸入侧表面具有大致凸出的形状；翼片部具有从根表面到尖端表面在跨度方向上渐增的安装角以及随着吸入侧表面接近尖端表面并且尖端表面接近前缘而增加加载的吸入侧表面，翼片部具有随着前缘接近尖端表面而发生的在吸入侧表面的方向上的倾斜，并且压力侧表面和吸入侧表面在它们与尖端表面的相交处各自具有在压力侧表面的方向上局部减小或反向的曲率。

Description

用于减少叶片尖端损失的系统和方法
技术领域
本文公开的主题大致涉及热力-机械涡轮机，以及更具体地说涉及用于减少叶片尖端损失的系统和方法。
背景技术
热力-机械涡轮机，诸如燃气涡轮或蒸汽涡轮的性能和效率，是希望通过减小发生在将高压气体(和/或流体)应用于涡轮轮叶或“叶片”以使机械旋转和能量输出时的热能转换为机械能的损失来改进。由于叶片尖端和周围固定部件(诸如围带、外壳等)之间的间隙而造成的通过叶片的泄漏，这样的损失常常发生，这导致不希望有的压力混合和涡流产生。减少这些“过尖端”和“尖端涡流”损失对于常常用于涡轮机的一级或多级中的无围带(unshrouded)叶片尖端构造尤其具有挑战性。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种用于减少叶片尖端损失的系统包括无围带涡轮叶片的翼片部。翼片部包括各自从根表面延伸到尖端表面并且在前缘和后缘处接合的压力侧表面和吸入侧表面。压力侧表面具有大致凹入的形状而吸入侧表面具有大致凸出的形状。翼片部具有从根表面到尖端表面在跨度方向上渐增的安装角以及随着吸入侧表面接近尖端表面并且尖端表面接近前缘而增加加载的吸入侧表面。翼片部还具有随着前缘接近尖端表面而发生的在吸入侧表面方向的倾斜。此外，压力侧表面和吸入侧表面在它们与尖端表面的相交处各自具有在压力侧表面的方向上局部减小或反向的曲率。
根据本发明的另一个方面，一种用于减少叶片尖端损失的方法包括提供无围带涡轮叶片的翼片部。翼片部包括各自从根表面延伸到尖端表面并且在前缘和后缘处接合的压力侧表面和吸入侧表面。压力侧表面具有大致凹入的形状而吸入侧表面具有大致凸出的形状。翼片部具有从根表面到尖端表面在跨度方向上渐增的安装角以及随着吸入侧表面接近尖端表面并且尖端表面接近前缘而增加加载的吸入侧表面。翼片部还具有随着前缘接近尖端表面而发生的在吸入侧表面的方向上的倾斜。此外，压力侧表面和吸入侧表面在它们与尖端表面的相交处各自具有在压力侧表面的方向上局部减小或反向的曲率。
这些和其它优点和特征从下列结合附图的说明将变得更加清楚。
附图说明
作为本发明的主题在权利要求中显著地指出并且清楚地要求保护。本发明的前述以及其它特征和优点从结合附图的下列详细说明来看是清楚的，其中：
图1是显示根据本发明示例性的实施例的涡轮叶片的翼片部的示例性透视图的图。
图2是显示根据本发明示例性的实施例的涡轮叶片翼片部的另一个示例性透视图的图。
图3是显示根据本发明示例性的实施例的图1的翼片部的示例性的倾斜(lean)剖面的线图。
图4是显示根据本发明示例性的实施例的图1的翼片部的示例性的细节的示意图。
详细说明通过参考附图以示例的方式阐明本发明的实施例以及优点和特征。
部件列表
  100   翼片部
  102   压力侧表面
  104   吸入侧表面
  106   根表面
  108   尖端表面
  110   前缘
  112   后缘
  200   翼片部
  210   吸入侧表面
  300   倾斜剖面
  302   后缘倾斜分布
  304   前缘倾斜分布
  400   细节
具体实施方式
在下列详细的说明中，提出了许多特定的细节以便提供各种实施例的透彻理解。然而，可以在没有这些特定的细节的情况下实践这些实施例。在其它情况下，公知的方法、程序和部件没有详细地介绍。
进一步地，各种操作可以描述为多个分开的步骤，以有助于理解本发明的实施例。然而，说明的顺序不应解释为暗示这些操作需要以它们展现的顺序执行，或者甚至它们是顺序依赖的。而且，短语“在实施例中”的重复使用不必然指的是同一个实施例，尽管可能是同一个实施例。最后，如用于本申请中的术语“包含”、“包括”、“具有”以及同类的术语是同义的，除非另有陈述。
本发明的示例性实施例提供一种用于减少例如热力-机械涡轮机中的叶片尖端损失的系统和方法。根据这样的示例性实施例，减少了例如无围带叶片构造中的过尖端(over-tip)和尖端涡流损失。由于吸入侧向下的堆叠布置以及由于近尖端区域曲率局部减小的度数或者反向引起的减小的过尖端流量系数，邻近叶片尖端的行入口流(row inletflow)通过重力在内部改变方向。
图1是显示根据本发明示例性的实施例的翼片部100的示例性的透视图的图。翼片部100是例如无围带涡轮叶片的一部分。翼片部100包括各自从根表面106延伸到尖端表面108并且在前缘110和后缘112处接合的压力侧表面102和吸入侧表面104。压力侧表面102具有大致凹入的形状，而吸入侧表面104具有大致凸出的形状。翼片部100具有从根表面106到尖端表面108在跨度方向(span-wise)上渐增的安装角(stagger angle)(如例如在图4中进一步描绘的)以及随着吸入侧表面104接近尖端表面108并且尖端表面108接近前缘110时增加加载的(例如，前部加载的)吸入侧表面110。翼片部100具有随着前缘110接近尖端表面108而发生的在吸入侧表面104方向的倾斜(如例如在图3中进一步描绘的)。此外，压力侧表面102和吸入侧表面104在它们与尖端表面108的相交处各自具有在压力侧表面102方向上局部降低或者反向的曲率(如例如在图3中进一步描绘的)。
翼片部100可具有各种其它的特性，诸如根据以下示例性的实施例。翼片部100可包括翼弦方向(chord-wise)加载的、堆叠分布的段(例如在图4中进一步描绘的)。根部(未描绘)可在根表面106连接到翼片部100，例如形成无围带叶片。此外，该根部可连接到诸如燃气涡轮或蒸汽涡轮(未描绘)的热力-机械涡轮机的转子(或其它部件)。
图2是显示根据本发明的示例性实施例的翼片部200的另一个示例性透视图的图。如由同样的参考标号描绘的，翼片部200基本上类似于上述翼片部100。翼片部200进一步包括随着吸入侧表面104接近尖端表面108并且尖端表面108接近后缘112而增加加载的(例如，后部加载的)吸入侧表面210。翼片部200进一步包括随着后缘112接近尖端表面108而发生的在吸入侧表面104方向的倾斜。根据本发明的示例性实施例，翼片200可进一步包括一个或多个上述变型。
图3是显示根据本发明的示例性实施例的图1的翼片部100的示例性倾斜剖面300的线图。示例性的倾斜剖面300包括示例性的后缘倾斜分布302和前缘倾斜分布304。用于翼片200的示例性的倾斜剖面(未描绘)将包括类似于前缘分布304的后缘倾斜分布和前缘倾斜分布两者。
图4是显示根据本发明的示例性实施例的图1的翼片部100的示例性细节400的示意图。所描绘的示例性细节400包括上述前缘、后缘，以及渐增的安装角。还描绘了翼弦方向加载的、堆叠分布的段。用于图2的翼片部200的示例性细节(未描绘)将包括与图4中描绘的那些细节400类似的特征。
本发明的示例性实施例还包括一种用于减少叶片尖端损失的方法或工艺(未描绘)，包括提供如上述用于图1和图2的翼片部100、200(包括示例性的变型)。这种示例性的方法或工艺可包括在一些实施例中的计算机程序产品的运行。
因此，本发明的示例性实施例的技术效果是一种用于减少例如热力-机械涡轮机中叶片尖端损失的系统和方法。根据这样的示例性实施例，减少了例如无围带叶片构造中的过尖端和尖端涡流损失。由于吸入侧向下的堆叠布置以及由于近尖端区域的曲率的局部渐减的度数或者反向引起的降低的过尖端流量系数，邻近叶片尖端的行入口流通过重力在内部改变方向。
虽然已经连同有限数量的实施例详细地介绍了本发明，应当容易地理解，本发明不限于这些公开的实施例。更确切地，本发明可修改以合并前面未介绍但与本发明的精神和范围相称的任何数量的变型、变更、替换或者等效布置。另外，虽然已经介绍了本发明的各种实施例，应当理解本发明的方面可仅包括某些描述的实施例。因此，本发明不视为由前述说明限定，而是仅由权利要求的范围限定。

Claims (9)

1.一种用于减少叶片尖端损失的系统，包括无围带涡轮叶片的翼片部(100，200)，所述翼片部(100，200)包括：
各自从根表面(106)延伸到尖端表面(108)并且在前缘(110)和后缘(112)处接合的压力侧表面(102)和吸入侧表面(104，210)，所述压力侧表面(102)具有大致凹入的形状，所述吸入侧表面(104，210)具有大致凸出的形状；
所述翼片部(100，200)具有从所述根表面(106)到所述尖端表面(108)在跨度方向上渐增的安装角以及随着所述吸入侧表面(104，210)接近所述尖端表面(108)并且所述尖端表面(108)接近所述前缘(110)而增加加载的吸入侧表面(104，210)，所述翼片部(100，200)具有随着所述前缘(110)接近所述尖端表面(108)而发生的在所述吸入侧表面(104，210)方向的倾斜，并且所述压力侧表面(102)和所述吸入侧表面(104，210)在与所述尖端表面(108)的相交处各具有在所述压力侧表面(102)的方向上局部减小或反向的曲率。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述翼片部(100，200)包括翼弦方向加载的、堆叠分布的段。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括在所述根表面(106)连接到所述翼片部(100，200)的根部。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述根部连接到涡轮机的转子。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述翼片部(100，200)还具有随着所述吸入侧表面(104，210)接近所述尖端表面(108)并且所述尖端表面(108)接近所述后缘(112)而增加加载的吸入侧表面(104，210)，所述翼片部(100，200)还具有随着所述后缘(112)接近所述尖端表面(108)而发生的在所述吸入侧表面(104，210)的方向上的倾斜。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述压力侧表面(102)和所述吸入侧表面(104，210)在与所述尖端表面(108)的相交处具有在所述压力侧表面(102)的方向上的外倾。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述翼片部(100，200)包括翼弦方向加载的、堆叠分布的段。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统还包括在所述根表面(106)连接到所述翼片部(100，200)的根部。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述根部连接到涡轮机的转子。
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