CN102099547A - 具有微小的间隙损失的轴流式涡轮机 - Google Patents

Abstract

轴流式涡轮机（1）具有转子叶片栅和将所述转子叶片栅包围的带有环形空间内侧（14）的环形空间壁（13），该转子叶片栅由分别具有前缘（8）和位于径向外面的自由的叶片尖端（15）的转子叶片（3）形成，所述环形空间壁（13）以所述环形空间内侧在形成所述叶片尖端（15）的包络线与所述环形空间内侧（14）之间的径向间隙（16）的情况下直接与所述叶片尖端（15）相邻地布置，其中，所述转子叶片（3）在其叶片尖端（15）上在其前缘（8）的区域内分别具有径向突起（18），并且所述环形空间壁（13）在所述环形空间内侧（14）上具有环绕的径向凹处（17），所述径向凹处与所述叶片尖端（15）的包络线之间以径向距离（16）进行布置，从而沿着所述轴流式涡轮机（1）的主流动方向所述径向突起的走向在其面对所述径向间隙（16）的侧面上与所述径向凹处的走向对应。

Description

具有微小的间隙损失的轴流式涡轮机

技术领域

本发明涉及一种具有微小的间隙损失的轴流式涡轮机。

背景技术

轴流式涡轮机具有壳体和转子，该转子由壳体包围。该转子具有轮毂轮廓，该轮毂轮廓与壳体的内轮廓共同形成了通过轴流式涡轮机的流动通道。所述转子具有大量转子级，所述转子级分别由转子叶片栅形成。该转子叶片栅具有大量转子叶片，所述转子叶片分别以其一个端部在轮毂侧固定在转子上并且以其另一端部径向向外指。在转子叶片的所述另一端部上形成了叶片尖端，该叶片尖端面对壳体的内侧并且直接与壳体的内侧相邻布置。在每个叶片尖端和壳体的内侧之间的距离构造成径向间隙，如此设计该径向间隙的尺寸，使得一方面所述叶片尖端在轴流式涡轮机运行时没有擦到壳体，并且另一方面在轴流式涡轮机运行时出现的通过径向间隙的泄漏流是尽可能小的。为了所述轴流式涡轮机具有高的效率，值得期望的是，通过所述径向间隙的泄漏流是尽可能小的。

如果将所述轴流式涡轮机安装在飞机推进器中，那么将壳体构造成细线细工的，从而具有尽可能小的重量。相反，将转子构造成坚固的，从而能够在轴流式涡轮机运行时经受压力和温度载荷。所述转子叶片相对于转子构造得不是那么坚固并且装配在转子上。

在所述轴流式涡轮机运行时，所述壳体的内侧与转子叶片与热气接触，其中壳体在其内侧上与热气具有大面积地接触。通过将壳体构造得比转子更加细线细工，所述转子比壳体更慢地变热。这导致在轴流式涡轮机的启动和停止时所述转子和壳体具有不同的热膨胀速度，从而在轴流式涡轮机启动和停止时在转子叶片的叶片尖端和壳体内侧之间形成的径向间隙的高度改变了。在此，在启动时出现大的径向间隙并且在停止时出现小的径向间隙。为了在停止时所述转子叶片的叶片尖端没有擦到壳体并且不会受损，所述径向间隙设有如此度量的最小高度，使得在轴流式涡轮机停止时所述叶片尖端几乎从不接触壳体。这使得在叶片尖端上维持相应设计尺寸的径向间隙。另一方面，尤其应该在轴流式涡轮机启动时仅仅将径向间隙设计得如此大小，使得由泄漏流引起的轴流式涡轮机的功率密度和效率的降低保持在可容忍的范围内。

现代的转子叶片具有非常高的空气动力学效率，该效率通过转子叶片的较高的压力载荷实现。通过所述高的压力载荷将通过径向间隙的泄漏流形成得特别强，从而通过该泄漏流强烈地影响转子叶片的总效率。尤其在具有小的结构高度和大的径向间隙的转子叶片中，通过泄漏流造成转子叶片的总损失的大致50%。泄漏流的减少改善了转子叶片的总效率。

通常已知例如通过“主动间隙控制”装置来降低泄漏流。在所述“主动间隙控制”装置中，在启动时冷却该壳体并且在停止时加热该壳体，使得壳体的热膨胀速度适应于转子叶片的热膨胀速度。此外，为了降低泄漏流从US 4,738,586中公开了叶片尖端的特别的造型，例如构造刀刃状的叶片尖端。

由EP 675 290 A2公开了另一种沿着转子叶片的跨度方向轮廓化的叶片尖端。该叶片尖端和对置的通道壁相互对应地轮廓化，其中通道壁具有环绕的凹处并且叶片尖端具有配合凹处的径向的尖端延长部分。通过所述措施能够在凹处的区域内快速降低气体速度，由此削弱震荡波的强度。

从FR 996967中获知另一种叶片尖端轮廓化以及通道壁轮廓化。

发明内容

本发明的任务是提供一种轴流式涡轮机，该轴流式涡轮机具有高的空气动力学效率。本发明的另一任务是为此提供一种转子叶片。

按本发明的轴流式涡轮机具有按权利要求1的特征所述的转子叶片栅。在此，根据权利要求9的特征构造所述转子叶片栅的转子叶片。

按本发明的轴流式涡轮机的转子叶片的轮廓化可以是常规类型的。所述转子叶片的径向突起沿着轴流式涡轮机的主流动方向平行于环形空间内侧的径向凹处走向，使得所述径向间隙具有均匀的并且波状的走向。根据双波的类型构造的环形空间内侧和叶身尖端以及相应地径向间隙分别包括至少四个由拐点界限的弯曲段，其中相邻的弯曲段的曲率具有不同的符号。由此，交替地加速和延缓在轴流式涡轮机运行中通过径向间隙出现的泄漏流。通过所述加速和延缓改变泄漏流的溢流速度和方向，从而在形成阶段和生长中防止在随着主流混合泄漏流时形成的间隙漩涡。由此有利地是，通过转子叶片栅的流动是均匀的并且损失少的，由此，所述转子叶片栅的以及由此所述轴流式涡轮机的效率是高的。

在间隙尺寸方面恒定的间隙沿着主流动方向具有均匀的不会突变的走向，从而在叶片尖端范围内的流动是损失少的。

通过泄漏流对主流的降低的影响额外地使得转子叶片的能量转换是高的，并且改善了位于转子叶片下游的导向叶片的流入。由此减少了所述导向叶片的错误流入并且/或者所述导向叶片能够具有更简单的形状。

有利地减少了泄漏流的质量流量以及其对于转子叶片栅的总效率的不利的影响。由此，不必设置额外的结构上的措施就获得了转子叶片栅的改善的空气动力学的质量。

在此，所述径向凹处相对于叶片尖端的包络线的径向距离沿着轴流式涡轮机的主流动方向是恒定的。

此外，优选所述第一弯曲段位于环形空间内侧的从前缘看对置于叶身尖端的轮廓弦的前面一半区域的区域内。此外，优选第一径向凹处的最大值位于从前缘看对置于轮廓弦的10%到30%的优选20%的区域或者说点上。

由此，所述径向突起和径向凹处有利地位于常规轮廓化的转子叶片的叶片尖端的最大压力载荷的区域内，从而减少通过径向间隙的泄漏流。

此外，优选如此形成所述弯曲段，使得径向间隙的走向沿着轴流式涡轮机的主流动方向基本上无棱边地并且无级地延伸。在此，也可以不仅在环形空间内侧中而且在叶身尖端上设置四个以上的弯曲段，从而降低通过径向间隙的泄漏流。

优选在第一弯曲段之前、在第四弯曲段之后以及/或者在连接在其上的弯曲段之后将另外的区段设置在环形空间内侧上或者说叶身尖端上，该另外的区段的走向沿着轴流式涡轮机的主流动方向是笔直的。

作为替代方案，优选所述另外的区段沿轴流式涡轮机的主流动方向是锥形的。

由此实现了从径向凹处或者说径向突起下游到转子叶片的后缘的平缓的过渡，使得叶片尖端区域内的流动是损失少的。

优选沿着轴流式涡轮机的主流动方向并且从前缘看，第一拐点位于叶片的弦长的5%到15%优选10%处，并且/或者所述径向凹处的基础位于转子叶片的弦长的15%到25%优选20%处。

原则上，所述叶身尖端的轮廓以及对置于所述叶身尖端的环形空间内侧的轮廓始终相互对应，使得两个轮廓一致。由此，对于轴流式涡轮机来说所出现的优点也根据精神适用于转子叶片。

优选所述轴流式涡轮机是固定的燃气涡轮机中的压缩机、飞机推进器中的压缩机、过程压缩机中的压缩机、风扇中的压缩机、鼓风机中的压缩机、蒸汽压力涡轮机中的压缩机、液压涡轮机中的压缩机和/或泵中的压缩机。

附图说明

下面根据示意性的附图根据按本发明的轴流式压缩机的优选实施方式对本发明进行解释。附图示出：

图1是按本发明的轴流式压缩机的第一实施方式的壳体区域的侧视图，

图2是图1中的实施方式的转子叶片尖端的透视图，并且

图3是按本发明的轴流式压缩机的壳体的第一实施方式的侧视图。

具体实施方式

如从图1到3中可以看出，轴流式压缩机1具有转子2，该转子具有转子叶片栅，该转子叶片栅由大量转子叶片3形成。在图1和3中看到，该轴流式压缩机1被从左向右通流。

此外，所述轴流式压缩机1在转子叶片3的上游具有第一定子4并且在转子叶片3的下游具有第二定子5。所述第一定子4由大量第一导向叶片6形成，并且所述第二定子5由大量第二导向叶片7形成。

所述转子叶片3在其面向上游的端部上具有前缘8并且在其面向下游的端部上具有后缘9，其中在前缘8和后缘9之间的一侧是转子叶片3的压力侧10，并且在前缘8和后缘9之间的另一侧是转子叶片3的吸入侧11。直线的轮廓弦以100%的标准化的弦长从前缘8延伸向后缘9，其中起始点位于前缘上轮廓弦的弦长的0%处，并且结束点位于后缘上轮廓弦的弦长的100%处。

所述转子叶片3沿径向在外侧由环形空间壁13包围，其中所述环形空间壁13具有环形空间内侧14，该环形空间内侧面对转子叶片3。该转子叶片3在其位于径向内部的纵向端部上固定并且其位于径向外部的纵向端部是自由的，其中在自由的端部上构造叶片尖端15。在环形空间内侧14和叶片尖端15之间设置了间隙16。

所述叶片尖端15在其面对环形空间内侧14的一侧上设有径向突起18，该径向突起的最大的径向延伸在叶片3的轮廓弦的弦长的20%处。跟随叶片尖端15的走向，在环形空间内侧14的对置于叶片尖端15的区段中在环形空间壁13中在环形空间内侧14上设置了径向凹处17，该径向凹处在图1和3中从左向右看平行于径向突起18走向。所述径向凹处17具有基础12，该基础沿径向在外部布置在径向突起18的最大的径向延伸的高度上。

所述径向凹处17在环形空间壁13中构造成环绕的。由此，当转子2围绕旋转轴线28旋转时，每个转子叶片3能够以其径向突起18嵌入径向凹处17地进行旋转。

沿着轴流式压缩机1的主流动方向看，所述径向凹处17以及类似地所述径向突起18根据第一实施方式由四个弯曲段19、21、23、25形成，其中所述弯曲段19、21、23、25分别具有曲率，其中所述曲率的符号从一个弯曲段到另一个弯曲段交替变化。所述弯曲段19、21、23、25相互前后布置，其中通过第一拐点20将第一弯曲段19与第二弯曲段21分开。此外，通过第二拐点22将第二弯曲段22与第三弯曲段23分开。通过第三拐点24将第三弯曲段23与第四弯曲段25分开。通过相互前后布置所述弯曲段19、21、23、25以及位于其之间的拐点20、22、24，波浪状地构造叶片尖端15和环形空间内侧14之间的间隙16。

在图2中用线条27示出常规的叶片尖端的径向界限，使得由径向突起18的设置引起的径向伸出部分变得明显。

在图3中根据第一实施方式示出了环形空间内侧14相对于轴流式压缩机1的旋转轴线28的走向。在所述第一弯曲段19的上游并且/或者在第四弯曲段25的下游，所述环形空间内侧14的走向至少在对置于叶身尖端15的区域内是锥形的并且由此是直线的，从而实现通道收缩。

当然，所述环形空间内侧14的走向以及相应地所述叶身尖端15不仅可以具有四个弯曲段，而且可以具有更多的弯曲段。

Claims (11)

1.轴流式涡轮机（1），具有转子叶片栅和将所述转子叶片栅包围的带有环形空间内侧（14）的环形空间壁（13），该转子叶片栅由分别具有前缘（8）和位于径向外面的自由的叶片尖端（15）的转子叶片（3）形成，所述环形空间壁（13）以所述环形空间内侧在形成所述叶片尖端（15）的包络线与所述环形空间内侧（14）之间的径向间隙（16）的情况下直接与所述叶片尖端（15）相邻地布置，其中，在所述环形空间内侧（14）的对置于所述叶片尖端（15）的轴向的区段的内部所述环形空间壁（13）在所述环形空间内侧（14）上具有至少一个环绕的第一径向凹处（17），该第一径向凹处带有第一和第二弯曲段（19、21），该第一径向凹处以沿着所述轴流式涡轮机（1）的主流动方向与对应于环形空间内侧（14）的叶片尖端（15）的包络线之间恒定的径向距离进行布置，

其特征在于，

沿着所述轴流式涡轮机（1）的主流动方向在所述环形空间内侧（14）上的走向至少具有

● 连接到所述第二弯曲段（21）上的第三弯曲段（23），以及

● 连接到所述第三弯曲段（23）上的第四弯曲段（25），

其中，

● 用第一拐点（20）将所述第一弯曲段（19）与所述第二弯曲段（21）分开，

● 用第二拐点（22）将所述第二弯曲段（21）与所述第三弯曲段（23）分开，并且

● 用第三拐点（24）将所述第三弯曲段（23）与所述第四弯曲段（25）分开，

其中，相邻的弯曲段（19、21、23、24）的曲率具有不同的符号。

2.按权利要求1所述的轴流式涡轮机（1），其中，所述第一弯曲段（19）位于所述环形空间内侧（14）的从所述前缘（8）看对置于所述叶身尖端（15）的轮廓弦的前面一半区域的区域内。

3.按权利要求1或2所述的轴流式涡轮机（1），其中，所述第一径向凹处（17）的最大值位于从所述前缘（8）看对置于轮廓弦的10%到30%尤其20%的区域或者说点上。

4.按权利要求1到3中任一项所述的轴流式涡轮机（1），其中，形成所述弯曲段（19、21、23、25），使得所述径向间隙（16）的走向沿着所述轴流式涡轮机（1）的主流动方向基本上无棱边地并且无级地延伸。

5.按权利要求1到4中任一项所述的轴流式涡轮机（1），其中，沿着所述轴流式涡轮机（1）的主流动方向，在所述环形空间内侧（14）上的走向具有另外的连接到所述第四弯曲段（23）上的弯曲段。

6.按权利要求1到5中任一项所述的轴流式涡轮机（1），其中，在所述第一弯曲段（19）的前面、在所述第四弯曲段（23）上以及/或者在连接到所述第四弯曲段（23）上的另外的弯曲段上设置所述环形空间内侧（14）的另外的区段，所述另外的区段的走向沿着所述轴流式涡轮机（1）的主流动方向是笔直的。

7.按权利要求6所述的轴流式涡轮机（1），其中，所述另外的区段是锥形的。

8.按权利要求4到7中任一项所述的轴流式涡轮机（1），其中，沿着所述轴流式涡轮机（1）的主流动方向并且从对置于所述转子叶片（3）的前缘（8）的点看，所述第一拐点（20）位于所述转子叶片（3）的弦长的5%到15%尤其10%处，并且/或者所述径向凹处的基础位于所述转子叶片（3）的弦长的15%到25%尤其20%处。

9.用于轴流式涡轮机的转子叶片（3），具有前缘（8）和位于径向外面的自由的叶片尖端（15），所述转子叶片在其叶片尖端（15）上具有至少一个第一径向突起（18），该第一径向突起带有第一弯曲段（19）和第二弯曲段（21），

其特征在于，

沿着所述转子叶片（3）的轮廓弦，所述叶片尖端（15）至少具有

● 连接到所述第二弯曲段（21）上的第三弯曲段（23），以及

● 连接到所述第三弯曲段（23）上的第四弯曲段（25），

其中，

● 用第一拐点（20）将所述第一弯曲段（19）与所述第二弯曲段（21）分开，

● 用第二拐点（22）将所述第二弯曲段（21）与所述第三弯曲段（23）分开，并且

● 用第三拐点（24）将所述第三弯曲段（23）与所述第四弯曲段（25）分开，

其中，相邻的弯曲段（19、21、23、24）的曲率具有不同的符号。

10.按权利要求9所述的转子叶片（3），其第一径向突起（18）位于弦长的前面一半的区域内。

11.按权利要求9或10所述的转子叶片（3），其中，所述第一径向突起（18）的最大值从前缘（8）看位于弦长的10%到30%尤其20%处。

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