CN102016324B - 用于涡轮机转子轮的壳体 - Google Patents

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Abstract

一种用于涡轮机转子轮(100)的壳体(10)具有多个周向槽(11，12，13)，每个周向槽的截面大致相同，其中，所述周向槽(11，12，13)的截面积(S1，S2，S3)从上游至下游从第一个槽(11)至最后的槽(13)而减小。通过以这种方式处理壳体，转子轮的效率被优化，且其喘振裕度改进。

Description

用于涡轮机转子轮的壳体
技术领域
本发明涉及涡轮机转子轮领域，特别是涉及压缩机轮领域。在涡轮机中，与定子轮相关的转子轮形成压缩机级，该压缩机级具有压缩穿过其中流体的功能。一系列转子轮(即一组一个或多个转子轮)(例如用于压缩机)的设计和优化需要考虑两个目标。
背景技术
第一目标在于，具有良好的压缩效率。压缩效率可被定义为：通过等熵压缩从一系列转子轮的上游至下游而将理想施加于流体的能量除以实际施加于流体的能量之比。(在本文件中，上游和下游相对于通过系列化转子轮的流体的正常流动方向定义。)
第二目标在于，确保足够的“喘振裕度”。喘振是压缩机内发生的流体不稳定现象，导致流动低频振动，并在流速、供应、压力和温度条件偏离于涡轮机正常操作范围时发生。由于这种不稳定现象常常产生大量能量，因而其使得涡轮机承受高程度的应力(静态和动态)。这样，易于理解的是，在开发系列化转子轮的过程中，不变的目标是尽可能扩展其正常操作范围，使得以其作为部件而构成的压缩机或涡轮机所具有“喘振裕度”足够且能够避免喘振现象。
以已知的方式，针对转子轮形成特定布置，以优化第二目标，具体地为优化喘振裕度。
在转子轮或叶片转子轮中，在操作中在静态壳体与移动叶片之间的径向间隙产生被称为间隙流动的次级流动。这种流动导致转子轮效率显著受损，在大多数情况下可能导致压缩机稳定性受损(喘振现象)。这样，为了满足前述第二目标并最大化转子轮系列的喘振裕度，已知的是，在壳体内壁面向转子轮叶片的端部之处进行处理。
在示例中，壳体处理在于在壳体侧壁中形成一组槽。利用这些槽，转子轮的喘振裕度得以改进。这样，专利GB 2408546提供涡轮机壳体处理的示例。然而，在其中公开的壳体处理中，槽的布置非常特别：槽并非周向布置，而是沿周向相互分开的缝且其中相对于径向的倾斜角存在变化。结果，壳体的制造相对比较复杂，因而昂贵，但并不确保壳体能够同时增大喘振裕度和优化压缩效率。
实际上，大多数壳体处理仅用于优化压缩机的喘振裕度，而不用担心对于压缩效率的通常的负面影响。
发明内容
本发明的目的在于，限定用于涡轮机转子轮的壳体，所述壳体具有内壁，所述内壁围绕所述壳体的轴线呈大致柱形，所述柱形壁设置有多个周向槽，每个周向槽的截面在轴向截面中大致相同，所述壳体被优化以同时改进喘振裕度和优化相关涡轮机转子轮的效率。
这一目的通过以下事实实现：在所述壳体中，所述周向槽(11，12，13)的截面积(S1，S2，S3)从上游至下游从第一个槽(11)至最后的槽(13)而减小。
以上使用的术语“上游端”表示被设计为位于壳体上游侧的壳体端。
术语“周向槽”用于表示设置为大致处于垂直于转子轴线的平面中的槽。这些槽因而典型地为圆形槽，位于垂直于转子轮轴线的平面中。这些槽不必连续，且其不必占据围绕壳体的完整圆周。然而，为了确保这些槽具有足够效能，特别是改进系列化转子轮的喘振裕度，有必要使其占据壳体圆周的大部分。
每个周向槽的截面在轴向截面中大致相同的事实意味着：无论选择哪个轴向截面来评估截面，槽的截面均大致相同。
本发明的优点来自以下两个观察结果：第一，基本上是转子轮上游侧上的第一槽贡献于改进喘振裕度，其他槽根据其与第一槽的距离而对这种改进具有递减的贡献；第二，每个槽对于系列化转子轮的压缩效率具有基本上是负面的影响。
这样，为了同时优化转子轮效率和改进喘振裕度，本发明给予第一槽以相对于随后槽(即位于在更下游其他槽的上游的一组槽)的截面积优势。
通常，在上游端的第一槽具有的截面积大于任何其他槽的截面积。然而，本发明还涵盖这样的实施例，其中，从上游至下游，壳体设置有具有相同截面积的两个槽，随后是具有较小截面积的两个槽，依此类推。在本发明中，可想到槽截面积的任何变例，只要所述周向槽的截面积从上游至下游从第一槽至最后的槽减小即可。这种减小可以是规则的，例如，槽的截面积从上游至下游线性地减小。在另一实施例中，槽截面积的减小同样可逐步产生。
应观察到，所考虑的槽是与转子轮叶片大致对准而定位的槽，而与转子轮上游和下游的壳体形状无关。
在一实施例中，每个槽大致在垂直于壳体轴线的平面中延伸。
在一实施例中，所述周向槽的第一个槽的深度大于位于更下游的随后的槽的深度。
在一实施例中，各所述周向槽的深度从上游至下游而减小。
有利地，各所述周向槽的深度线性地减小。
在一实施例中，所述周向槽的第一个槽的宽度大于位于更下游的随后的槽的宽度。
在一实施例中，各所述周向槽的宽度沿壳体轴线从上游至下游而减小。
上述各种实施例使得根据本发明可同时优化转子轮效率和改进其喘振裕度，其中对于根据在设计系列化转子轮时需要考虑到的其他限制而可优化的各种参数施加作用。
在一实施例中，所述壳体在相邻的槽之间设置有大致柱形的接合表面，其中，所述接合表面的直径大致等于分别在所述槽的上游和下游测量到的所述壳体的内直径的平均值。
利用这种构造，在叶片端部与壳体之间间隙中的流动，在直径规则变化的空间中进行(忽略槽)，由此减小不希望出现的紊流。
本发明的第二目的在于，限定具有大喘振裕度的高效率涡轮机。
这一目的通过以下事实而实现：所述涡轮机具有转子轮和如上所限定的壳体。这样，涡轮机的性能被优化，而且其得益于优化的效率和改进的喘振裕度。
附图说明
通过阅读以下的对以非限制性示例方式提供的实施例的详细描述，能够更好地理解本发明，且其优点更显见。以下描述参照附图，其中：
图1是包括本发明壳体的涡轮机转子轮的立体图；和
图2是图1中所示转子轮的轴向截面图，其显示出本发明对壳体的处理。
具体实施方式
参见图1，以下描述本发明的用于转子轮的壳体。
图1显示出转子轮100。此转子轮100主要包括转子盘30和叶片20，转子盘30和叶片20当在由静态壳体10构成的定子内围绕轴线F旋转时可移动。在该转子轮中，盘30是环形部件，具有在旋转时保持和移动叶片20的功能。通常，叶片通过其根部利用锤头或圣诞树构造的紧固件被紧固到转子盘。这样每个叶片包括：根部，构成流通截面的内部分的平台22，和翼面23。可替代地，叶片可由与转子盘相同的材料块制成，其中盘被称为单件叶片盘。流体大致沿转子轮的轴线F通过位于不同叶片的翼面23之间的内叶片通路。流体沿径向通过叶片平台22与转子轮壳体10内侧之间。每个叶片具有大致沿径向延伸的翼面23。叶片根部朝向转子轮的中心定位，其中翼面23向外延伸。当转子轮旋转时，翼面23的端部于是在静态壳体10的近处被以高速行进。为了高效操作转子轮，对于叶片端部与壳体内壁15之间的间隙(B1，B2)具有良好控制是重要的。关键是使此间隙较小。所述间隙参照图2详细描述。
图2的截面图显示出叶片20面向壳体10对应截面的端部。为使叶片20可相对于壳体10旋转，在叶片与壳体之间留下间隙。在所示的示例中，此间隙因而可具有在叶片上游侧上的值B1和在下游侧上的值B2。截面显示出沿径向或大致沿径向延伸的三个槽11，12，13的截面。这三个槽对准叶片20的尖端定位，它们可从所述尖端向上游或向下游稍稍延伸。槽11，12和13形成了施加于壳体的处理结构，用于改进以转子轮作为部件而构成的涡轮机中的喘振裕度，同时使转子轮能够具有良好效率。为了实现此目的，根据本发明的槽布置显示出，槽11，12，13设置有从上游至下游减小的相应截面积S1，S2，S3。槽11，12，13为径向圆形槽，每个槽在垂直于壳体轴线F的平面中围绕壳体形成整图。面积S1，S2，S3线性地减小。槽的面积从上游至下游的这种减小以及第一槽相对于随后槽的优势，通过改变槽的宽度以及改变槽的深度而获得。
这样，第一槽具有沿壳体轴线F测量到的最大宽度D1，并具有沿径向测量到的最大深度E1。类似地，在三个槽11，12和13中，槽的深度从上游至下游线性地减小，这因而相应呈现出线性减小的11，12，13深度E1，E2，E3；类似地，三个槽的沿壳体轴线F测量到的相应宽度D1，D2，D3也从上游至下游线性地减小。
为了使在叶片20的尖端与壳体10的壁之间发生的紊流最小化，在叶片端部与壳体10的内壁15之间的间隙沿转子轮从上游至下游连续变化。
在叶片的尖端处，这些间隙从上游至下游包括：相对于壳体侧壁15的第一间隙B1；相对于槽11和12之间接合表面16的间隙C1；相对于槽12和13之间接合表面17的间隙C2；和相对于壳体内壁15的最后的间隙B2(其中，间隙在概念上并未限定为与槽11，12，13对准)
为了使流体以常规方式通过以在叶片径向外端近处几乎不产生通过转子轮的紊流，间隙B1，C1，C2，B2具有相似的值。因此，还可观察到，槽之间的接合表面16和17大致为柱形，而且接合表面16和17的直径大致等于在叶片20上游测量到的上游直径A1与在其下游测量到的下游直径A2之间的平均直径。
图2中所示槽11，12，13沿径向延伸，即每个槽大致位于垂直于壳体轴线的平面中。在变例中，槽同样可倾斜，即槽不需要形成为垂直于壳体内壁15，但可倾斜延伸，相对于转子轮向上游或向下游延伸。
而且，实际上，槽的深度E1典型地处于平均间隙的一半至平均间隙的30倍的范围内，其中，平均间隙在叶片20的尖端与壳体10的内壁15之间测得。而且，槽的深度、面积和/或宽度典型地被除以2至5，从壳体处理上游端的第一槽至壳体处理的最后的槽。
最后，图2中所示实施例具有三个槽，其截面积规则地减小。可以使用多个其他实施例。特别地，不是截面积规则地减小，而是可具有第一组上游槽，所述上游槽的截面积均相等而且大于位于更下游的其他槽的共同截面积。

Claims (10)

1.一种用于涡轮机转子轮(100)的壳体(10)，所述壳体具有内壁(15)，所述内壁围绕所述壳体的轴线呈大致柱形，所述柱形壁设置有多个圆形的周向槽(11，12，13)，每个周向槽的截面在轴向截面中相同，其特征在于，所述周向槽(11，12，13)的截面积(S1，S2，S3)从上游至下游从第一个槽(11)至最后的槽(13)而减小。
2.根据权利要求1所述的壳体，其中，各所述槽的截面积(S1，S2，S3)从上游至下游的减小是线性的。
3.根据权利要求1所述的壳体，其中，所述周向槽的第一个槽的深度(E1)大于位于更下游的随后的槽(12，13)的深度(E2，E3)。
4.根据权利要求1所述的壳体，其中，各所述周向槽的深度(E1，E2，E3)从上游至下游而减小。
5.根据权利要求4所述的壳体，其中，各所述周向槽的深度的减小是线性的。
6.根据权利要求1所述的壳体，其中，所述周向槽的第一个槽(11)的宽度(D1)大于位于更下游的随后的槽的宽度(D2，D3)。
7.根据权利要求1所述的壳体，其中，各所述周向槽的宽度(D1，D2，D3)从上游至下游而减小。
8.根据权利要求1所述的壳体，在相邻的槽之间设置有大致柱形的接合表面(16，17)，其中，所述接合表面的直径大致等于分别在所述槽的上游和下游测量到的所述壳体(10)的内直径(B1，B2)的平均值。
9.根据权利要求1所述的壳体，其中，每个槽(11，12，13)大致在与所述壳体的轴线(F)垂直的平面中延伸。
10.一种涡轮机，其包括转子轮(100)和根据权利要求1至9中任一项所述的壳体。
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