CN102587997A - 用于轴流式涡轮机的翼型叶片 - Google Patents

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Abstract

一种翼型叶片(30)，其用作在轴流式涡轮机中布置的一系列类似叶片中一个，所述轴流式涡轮机具有用于工作流体的环形路径，所述翼型叶片(30)具有径向内部的平台区域(32)、径向外部的顶端区域(34)、轴向向前的前缘(35)和轴向向后的后缘(36)，所述轴向向后的后缘(36)在所述平台区域(32)和顶端区域(34)之间是直的并且在所述环形路径的径向上定向。所述翼型叶片(30)具有在所述径向内部的平台区域(32)和径向外部的顶端区域(34)之间在径向方向上凸出的压力面(38)与在所述径向内部的平台区域(32)和径向外部的顶端区域(34)之间在径向方向上凹入的负压面(40)。所述翼型叶片(30)的轴向宽度(W)是所述前缘(35)和直的后缘(36)之间的轴向距离，它在所述平台和顶端区域(32、34)处的最大轴向宽度(Wmax)与在所述平台区域(32)和顶端区域(34)之间的位置处的最小轴向宽度(Wmin)之间抛物线式地变化。

Description

用于轴流式涡轮机的翼型叶片
技术领域
本发明涉及一种用于轴流式涡轮机的翼型叶片以及涉及一种结合所述翼型叶片的轴流式涡轮机。本发明的实施例尤其涉及一种用于蒸汽轮机或燃气轮机的涡轮叶片。本发明的实施例主要关于固定叶片，但不排他地限制于此。
背景技术
涡轮效率是非常重要的，尤其是在需要减小电功率的大型设施中，效率的微小增加能够导致燃料的量的显著减少。这导致非常大的成本节约和CO2排放量的显著降低，并相应地减少SOx和NOx。因此，相当大量的资金和人力持续投入到翼型设计的研究上，因为这对涡轮效率具有非常大的影响。
许多年来，常规涡轮叶片是翼型横截面的，固定叶片从内向外端部块径向延伸，并且所述叶片是等截面形状(prismatic form)。固定的和移动叶片关于他们各自的叶片轴线的方向对于该等截面叶片设计已经被标准化，该方向由在所述涡轮轴向方向与在所述翼型叶片的压力面上同所述叶片前缘和后缘圆相切的线之间的所述叶片翼差角限定。
通过在叶片上施加“倾斜”，即绕其根部在周缘平面中(即横向于所述涡轮轴线或垂直于所述涡轮轴线)倾翻，已经实现在涡轮中的等截面叶片的性能的已知改良。该“倾斜”产生从平台区域(在所述叶片根部)到顶端区域在叶片的出口处质量流的变化。
由于所述叶片的周缘间隔(即间距)从所述平台区域到顶端区域逐渐增加，所述喉部线与负压面交叉的位置随着半径的增大而向上游移动。由于所述负压面的凸曲率，这导致出口角从在根部处(相对于正切方向)的大约13°增加到在顶端处的大约15°。
在EP-B1-0704602中已经提出一种“被控流”翼型叶片，它提供超过这些已知翼型叶片设计的性能改良。本发明目的在于提供一种被控流翼型叶片，所述被控流翼型叶片具有修改的设计，它也提供一种超过已知翼型叶片设计的性能的改良。
下述定义将用于整个本说明书。
翼型叶片的径向最内部的末端将称为它的“平台区域”(常称为毂区域或根部)，而翼型叶片的径向最外部的末端将称为它的“顶端区域”。
“等截面”翼型叶片设计成，使得所述叶片的名义翼型截面，每个都被认为正交于来自涡轮轴线的涡轮轴线的径向线，从所述平台区域到顶端区域具有相同的形状，所述翼型截面是不歪斜的(即从所述平台区域到顶端区域具有相同的设定角度)，并且一个在另一个上地叠置，从而它们的前缘和后缘在径向方向上共同形成直线。
翼型叶片的叶片出口角(α)是相对于所述转子的周向方向，所述工作流体离开周缘叶列的角度，并且从下述关系式推出：
α＝sin-1k
其中：
K＝喉部尺寸(t)/间距尺寸(p)
所述喉部尺寸(t)定义为从一个翼型叶片后缘沿法向延伸到同一排中的相邻翼型叶片的负压面的最短线，而所述间距尺寸(p)是在距离所述翼型叶片的平台区域的规定径向距离处，从一个翼型叶片后缘到同一排中的相邻翼型叶片后缘的周缘距离。
所述安装角(β)是任何特殊的翼型截面在沿着所述翼型叶片的高度或跨度的位置处在它自己的平面中从预定的零基准移位所经过的角度。所述基准可以例如视为作为利用这种翼型叶片的已知涡轮中的已知等截面翼型叶片，在所述翼型截面具有相同“翼差角”(ψ)处。所述翼差角(ψ)是所述涡轮的轴线与接触所述翼型截面的前缘和后缘的切线之间的角度，并且指示所述翼型截面相对于所述涡轮轴线的方向。
所述“翼弦线”是与翼型截面的前缘和后缘半径相切的最短线。所述“翼弦长”是垂直于所述翼弦线并且分别穿过所述翼弦线接触所述前缘和后缘处的点的两条线之间的距离。
翼型叶片的“轴向宽度”(W)是它的前缘和后缘之间的轴向距离(即当沿着所述涡轮的旋转轴测量时它的前缘和后缘之间的距离)。
所述背表面偏转角(BSD)是在所述负压面上的所述喉部点和后缘混合点之间，在翼型叶片的未覆盖表面上的角度变化。
发明内容
根据本发明的第一方面，提出一种翼型叶片，所述翼型叶片用作布置在轴流式涡轮机中的一系列类似叶片中的一个，所述轴流式涡轮机具有用于工作流体的环形路径，所述翼型叶片具有径向内部的平台区域，径向外部的顶端区域，轴向向前的前缘和轴向向后的后缘，所述后缘在所述平台区域和顶端区域之间是直的并且在所述环形路径的径向上定向；
所述翼型叶片具有在所述径向内部的平台区域和径向外部的顶端区域之间在径向方向上凸出的压力面与在所述径向内部的平台区域和径向外部的顶端区域之间在径向方向上凹入的负压面；
其中，所述翼型叶片的轴向宽度(W)是在所述前缘和直的后缘之间的轴向距离，它在所述平台和顶端区域处的最大轴向宽度(Wmax)与在所述平台区域和顶端区域之间的位置处的最小轴向距离(Wmin)之间抛物线式地变化。
在所述平台区域和顶端区域之间的翼型叶片的轴向宽度(W)的抛物线式变化减小叶片轮廓损失。特别地，在所述平台和顶端区域处，所述翼型叶片的减小的喉部尺寸能够使增加的喉部尺寸在所述平台和顶端区域之间的位置处适应。这能够使更大的背表面偏转角(BSD)在所述平台和顶端区域之间的位置处适应，因而提供叶片轮廓损失的减小。
在所述平台区域处的和在所述顶端区域处的背表面偏转角可以在从15°到25°之间的范围内。在所述平台区域处的背表面偏转角可以与在所述顶端区域处的背表面偏转角大致相同。在所述平台区域处和顶端区域处的背表面偏转角可以是大约19°。在所述平台区域和顶端区域之间的位置处的背表面偏转角例如在一半高度位置处，可以在从25°到35°之间的范围内变化，并且典型地为大约30°。
在所述平台区域和顶端区域之间的翼型叶片的轴向宽度(W)的抛物线式变化还减小叶片二次流损失。特别地，所述叶片二次流损失因在所述平台区域和顶端区域处翼型叶片的增加的轴向宽度(W)与在所述平台和顶端区域之间的位置处翼型叶片的减小的轴向宽度而减小。
所述压力面和/或负压面可以在径向方向上大致对称地弯曲。
在所述平台区域处的翼型叶片的最大轴向宽度(Wmax platform)与在所述顶端区域处的翼型叶片的最大轴向宽度(Wmax tip)一般大致相同。
在所述平台区域处的翼型叶片的最大轴向宽度(Wmax platform)与在所述顶端区域处的翼型叶片的最大轴向宽度(Wmax tip)可以达到等截面设计的等同翼型叶片在它的对应区域处的轴向宽度(W)的1.2倍。在某些实施例中，在所述平台区域处的翼型叶片的最大轴向宽度(Wmax platform)与在所述顶端区域处的翼型叶片的最大轴向宽度(Wmax tip)可以达到等截面设计的等同翼型叶片在它的对应区域处的轴向宽度(W)的1.076倍。
在所述平台区域和顶端区域之间的位置处的翼型叶片的最小轴向宽度(Wmin)，并且一般在所述平台区域和顶端区域之间的一半高度位置处的翼型叶片的最小轴向宽度(Wmin)，可以达到在所述平台区域和顶端区域之间的对应位置处等截面设计的等同翼型叶片的等同翼型叶片的轴向宽度(W)的0.9倍。在某些实施例中，在所述平台区域和顶端区域之间的位置处的翼型叶片的最小轴向宽度(Wmin)，并且一般在所述平台区域和顶端区域之间的一半高度位置处的翼型叶片的最小轴向宽度(Wmin)，可以达到在所述平台区域和顶端区域之间的对应位置处等截面设（Wmin）计的等同翼型叶片的等同翼型叶片的轴向宽度(W)的0.893倍。
所述翼型叶片一般具有在所述平台区域和顶端区域之间可变的翼型截面。翼型截面的这个变化提供所述翼型叶片的轴向宽度(W)的抛物线式变化，而不是例如翼型截面的安装角(β)的变化。因此，在所述平台区域和顶端区域之间的翼型截面正常地具有相同的安装角(β)。
所述翼型叶片的最小轴向宽度(Wmin)可以出现在所述平台区域和顶端区域之间的一半高度位置处。一般地，所述翼型叶片的轴向宽度(W)的抛物线式变化是关于所述平台区域和顶端区域之间的一半高速位置对称的。
K值在这里定义为等于所述喉部尺寸(t)与间距尺寸(p)的比，它可以在分别位于所述平台区域和顶端区域处的最小值(Kmin platform)和(Kmin tip)与在所述平台区域和顶端区域之间的位置处的最大值(Kmax)之间变化。所述叶片出口角(α)因而可以在分别位于所述平台区域和顶端区域处的最小值(αmin)与在所述平台区域和顶端区域之间的位置处的最大值(αmax)之间变化。
在某些实施例中，在所述平台区域处的最小K值(Kmin platform)大致等于在所述顶端区域处的最小K值(Kmin tip)。因而，在所述平台区域处的叶片出口角(αplatform)大致等于在顶端区域处的叶片出口角(αtip)。
最大K值(Kmax)一般出现在所述平台区域和顶端区域之间一半高度位置处。所述最大叶片出口角(αmax)因而出现在这个一半高度位置处。叶片轮廓损失因而在所述平台区域和顶端区域之间的一半高度区域处有利地减小。
所述K值的变化，并因而所述叶片出口角(α)的变化是抛物线形的，并且可以关于在所述平台区域和顶端区域之间的一半高度位置大致对称。
在某些实施例中，Kmin platform可以是大约0.1616，它给出在所述平台区域处的叶片出口角(αplatform)大约9.3°(即约9°)，Kmin tip可以是大约0.1633，它给出在所述顶端区域处的叶片出口角(αtip)大约9.4°(即约9°)，并且在所述平台区域和顶端区域之间一半高度位置处的Kmax可以是大约0.2823，它给出在一半高度位置处的叶片出口角(αmax)大约16.4°(即约16°)。
所述翼型叶片的平均喉部尺寸(tmean)正常地大约等于等截面设计的等同翼型叶片的平均喉部尺寸。这保证所述平均反应大致等于等截面设计的等同翼型叶片的平均反应。
所述翼型叶片一般是涡轮机级的固定叶片，所述涡轮机级包括一系列所述固定叶片。
根据本发明的第二方面，提供一种轴流式涡轮机，其包括根据本发明第一方面的一系列翼型叶片。
所述轴流式涡轮机可以是例如蒸汽轮机或燃气轮机的涡轮。所述涡轮可以包括具有根据本发明第一方面的固定涡轮叶片的至少一个涡轮机级。
附图说明
图1是蒸汽轮机的轴线上的示意性截面图，显示包括固定叶片的组件的常规“盘和膜片(disc and diaphragm)”高/中压蒸汽涡轮机级；
图2是固定叶片膜片中的两个这种常规叶片的透视图；
图3(a)是图2的叶片沿径向方向的简图；
图3(b)是例示离开固定叶片的出口角(α)的简图；
图4是根据本发明的翼型叶片的透视图；
图5是显示对于常规等截面翼型叶片和对于本发明的被控流翼型叶片，K值相对于翼型截面从所述平台区域到顶端区域的高度变化的曲线。
具体实施方式
现在利用唯一实例和参照附图描述本发明的实施例。
图1显示常规“盘和膜片”高/中压蒸汽涡轮机级的简图式轴向截面视图。工作流体，蒸汽，的流F的方向大致平行于涡轮转子轴线A。对于每一级，转子10具有盘11，在盘11上紧固一组或一排在周缘上排列和间隔开的移动叶片12，叶片12具有附着到它们的径向外端部的屏蔽(shroud)13。在从涡轮机的前部到后部的方向F上流动的蒸汽中的能量转换成转子10中的机械能。
对于每个涡轮机级，固定叶片组件在移动叶片12的组之前并且紧固到涡轮内壳体20上。这个固定叶片组件包括径向内部环21、径向外部环22和一排在周缘上排列和间隔开的固定叶片23，每个叶片23在它的平台区域处，在径向内端部紧固到内部环21上，并且在它的顶端区域处，在径向外端部紧固到外部环22上，并且每个叶片具有面向所述流的上游的前缘24和径向下游的后缘25。
固定叶片23与内部和外部环21、22的组件已知为膜片。图1中所示的盘和膜片级是这样一种类型，其中，在内部和外部环21、22之间的正交于涡轮轴线A的区域在固定叶片后缘25处比在叶片前缘24处更大。而且，在图1所示的实例中，固定叶片23所紧固的环(或端部块)21、22的表面，即端壁，具有沿从叶片23的前缘24到后缘25的方向F散开的截头圆锥形状。
现在参照图2，图2显示图1所示类型的固定叶片组件的一部分的后视图。图2中所示的固定叶片23是常规的等截面类型，也就是说，它们每个都是直的，即设计成使所述叶片的名义翼型截面分别视为垂直于从涡轮轴线A发出的径向线，从所述叶片平台区域到所述叶片顶端区域具有相同的形状，从所述平台区域到顶端区域朝相反方向扭转并且用前缘24和后缘25分别叠置在直线上。每个叶片23具有凹压力面26和凸负压面27。
参照图3(a)，图3(a)以径向平面图的方式例示相对于涡轮轴线A和含有固定叶片环的横向(即相切或周缘)平面T并且与涡轮轴线A垂直的固定叶片23和29的方向。所述叶片翼型截面基于小的后缘圆15和更大的前缘源17。这两个圆的切线19与涡轮轴线A方向成角度ψ，在上文中定义为翼差角。将会看到，这些常规的固定叶片23、29在给定径向位置处的轴向宽度(W)是在给定径向位置处，前缘和后缘24、25之间的距离。
如果垂直线从叶片23的负压面27绘制到与相邻叶片29的压力面26交叉，并且然后，如果绘制最短的这种线，这是喉部尺寸t，它出现在叶片29的后缘25的区域中。这个喉部尺寸(t)与固定叶片的间距尺寸(P)的比设为值K，如上文中所定义的，它等于出口角(α)的正弦(sine)。可以看到，这个角度大约是从每个叶片相对于横平面T的出口角。
图4显示根据本发明原理的翼型叶片30，并且可以结合到上述的固定叶片组件中。在平台区域32和顶端区域34之间，如同常规的等截面叶片，翼型叶片30具有直的后缘36。翼型叶片30具有压力面38和负压面40，它们分别在径向方向上在平台区域32和顶端区域34之间凸出和凹入地对称弯曲。
翼型叶片30的轴向宽度(W)沿着叶片30的高度或跨度变化，更具体地，在所述平台和顶端区域32、34处的最大轴向宽度(Wmax)与在平台区域32和顶端区域34之间的位置处的最小轴向宽度(Wmin)之间抛物线式地且对称地变化。因此，应理解与后缘36相反，翼型叶片30的前缘35不是直的，而是在径向方向上弯曲的。在例示的实施例中，前缘35的弯曲关于平台和顶端区域32、34之间的一半高度位置42对称，使得在平台区域32处的最大轴向宽度(Wmax platform)大致等于在顶端区域34处的最大轴向宽度(Wmax tip)，同时所述最小轴向宽度(Wmin)出现在平台区域32和顶端区域34之间的一半高度位置42处。
叶片轴向宽度(W)的抛物线式变化是通过变化在平台区域32和顶端区域34之间的翼型叶片截面44同时翼型截面各具有相同的安装角(β)实现的。
图4中所示的翼型叶片30的一个实施例的关键参数下面示于表1。
[表1]
  平台(即毂)区域   一半高度位置   顶端区域
  r，后缘(mm)   420   462   504
  轴向宽度(W)(mm)   73.42   68.20   73.42
  K(＝sinαα)   0.16   0.28   0.16
  喉部(t)(mm)   8.88   17.07   10.77
  间距(P)(mm)   54.978   60.476   65.973
  BSD(°)   19.44   30   19.22
图5例示对于根据本发明的具有表1中所示参数的两个不同翼型叶片30与对于在所述平台区域和顶端区域之间具有恒定轴向宽度(W)大约68.2mm的常规等同等截面翼型叶片，K值(等于出口角α的正弦)和叶片截面的径向高度之间的关系。
对于常规等截面翼型叶片，将看到K值在平台区域处的最小值和顶端区域处的最大值之间大致线性增加。这等同于叶片出口角(α)在平台区域处的约13°和顶端区域处的约15°之间大致线性增加。叶片出口角(α)的该增加简单地对应于随着半径的增加，叶片间距(P)增加。
对于根据本发明的被控流翼型叶片30，将会看到所述K值关于叶片的一半高度位置42在平台区域和顶端区域处的相等最小值K(Kmin platform＝Kmin tip )和所述一半高度位置处的最大K值(Kmax)之间抛物线式地且对称地变化。所述最小K值等同于在平台区域处的叶片出口角(αplatform)和在顶端区域处的约9°的叶片出口角(αtip)和在所述一半高度位置处的约16°的最大叶片出口角(αmax)。在平台和顶端区域处K值的减小，并因而出口角α，使所述K值，并因而所述出口角α，在平台和顶端区域之间的一半高度位置处增加。叶片轮廓损失因而在所述一半高度区域中减小。
虽然在前面段落中已经描述了本发明的实施例，应理解的是，在不偏离所附权利要求书的保护范围的条件下，对这些实施例可以做出各种修改。
虽然本发明已经关于“短高度”HP/IP固定叶片在低反应盘和膜片类型的蒸汽轮机中用途进行了描述，它还适用于其他类型的轴流式涡轮机和压缩机，以及适用于移动的翼型叶片和固定的翼型叶片。

Claims (15)

1.一种翼型叶片(30)，所述翼型叶片(30)具有径向内部的平台区域(32)、径向外部的顶端区域(34)、轴向向前的前缘(35)和轴向向后的后缘(36)，所述轴向向后的后缘(36)在所述平台区域(32)和顶端区域(34)之间是直的并且在所述环形路径的径向上定向；
所述翼型叶片(30)具有在所述径向内部的平台区域(32)和径向外部的顶端区域(34)之间在径向方向上凸出的压力面(38)与在所述径向内部的平台区域(32)和径向外部的顶端区域(34)之间在径向方向上凹入的负压面(40)；
其中，所述翼型叶片(30)的轴向宽度(W)是在所述前缘(35)和直的后缘(36)之间的轴向距离，它在所述平台和顶端区域(32、34)处的最大轴向宽度(Wmax)与在所述平台区域(32)和顶端区域(34)之间的位置处的最小轴向宽度(Wmin)之间抛物线式地变化。
2.根据权利要求1所述的翼型叶片，其特征在于，
所述翼型叶片(30)具有在所述平台区域(32)和顶端区域(34)之间可变的翼型截面(44)以提供所述翼型叶片的轴向宽度(W)的抛物线式变化。
3.根据权利要求1或2所述的翼型叶片，其特征在于，
在所述平台区域(32)和顶端区域(34)之间的翼型截面(44)具有相同的安装角(β)。
4.根据前述权利要求中的任意一项所述的翼型叶片，其特征在于，
所述翼型叶片(30)的最小轴向宽度(Wmin)出现在所述平台区域(32)和顶端区域(34)之间的位置(42)处。
5.根据权利要求4所述的翼型叶片，其特征在于，
所述翼型叶片(30)的轴向宽度(W)的抛物线式变化是关于在所述平台区域(32)和顶端区域(34)之间的一半高度位置(42)对称的。
6.根据前述权利要求中的任意一项所述的翼型叶片，其特征在于，
所述K值等于所述喉部尺寸(t)与间距尺寸(p)的比，它在分别位于所述平台区域(32)和顶端区域(34)处的最小值(Kmin platform)和(Kmin tip)与在所述平台区域(32)和顶端区域(34)之间的位置处的最大值(Kmax)之间变化。
7.根据权利要求6所述的翼型叶片，其特征在于，
在所述平台区域处的最小K值(Kmin platform)大致等于在所述顶端区域处的最小K值(Kmin tip)。
8.根据权利要求6或7所述的翼型叶片，其特征在于，
所述最大K值(Kmax)出现在所述平台区域(32)和顶端区域(34)之间的一半高度位置(42)处。
9.根据权利要求6至8中的任意一项所述的翼型叶片，其特征在于，
所述K值的变化是抛物线式的，并且关于所述平台区域(32)和顶端区域(34)之间的一半高度位置(42)大致对称。
10.根据前述权利要求中的任意一项所述的翼型叶片，其特征在于，
所述翼型叶片(30)是涡轮机级的固定叶片，所述涡轮机级包括一系列所述固定叶片(30)。
11.根据权利要求1所述的翼型叶片，其特征在于，
所述翼型叶片(30)用作在轴流式涡轮机中布置的一系列类似叶片中的一个，所述轴流式涡轮机具有用于工作流体的环形路径。
12.根据权利要求1所述的翼型叶片，其特征在于，
在所述平台和顶端区域处的最大轴向宽度(Wmax)是大致相同的。
13.根据权利要求1所述的翼型叶片，其特征在于，
所述翼型叶片是固定叶片。
14.一种轴流式涡轮式，所述轴流式涡轮机结合了一系列根据前述权利要求中的任意一项所述的翼型叶片(30)。
15.根据权利要求14所述的轴流式涡轮机，其特征在于，
所述轴流式涡轮机是包括具有根据权利要求1至13中的任意一项所述的固定的涡轮叶片(30)的至少一个涡轮机级的涡轮。
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