CN103850716B - 泪滴形的部分跨距围带 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于涡轮机中的旋转叶片的泪滴形的部分跨距围带，所述可旋转叶片包括：翼型部分，所述翼型部分具有前缘、后缘、径向向内端和径向向外端；根段，所述根段连接到所述翼型部分的所述径向向内端上。部分跨距围带（part‑span shroud）定位在所述翼型部分上，位于所述根段与所述径向向外端之间。所述部分跨距围带是大体泪滴形，以使得如从所述部分跨距围带的前缘测量，其横截面形状的最大厚度位于在所述部分跨距围带的所述前缘与后缘之间延伸的弦长的20%至40%以内。

Description

泪滴形的部分跨距围带

技术领域

本发明总体上涉及用于涡轮机中的旋转叶片。更具体来说，本发明涉及在相邻叶片之间具有部分跨距围带的旋转叶片。

背景技术

如蒸汽或燃气涡轮机的涡轮机的流体流动路径大体上由固定壳体和转子形成。在此构造中，多个固定轮叶以周向阵列的方式附接到壳体上，并且径向向内延伸到流动路径中。类似地，多个旋转叶片以周向阵列的方式附接到转子上并且径向向外延伸到流动路径中。固定轮叶和旋转叶片布置成交替的排，以使得一排轮叶和直接下游排的叶片形成一“级”。该等轮叶用来引导流动路径，以使得该流动路径以正确的角度进入下游排的叶片中。叶片的翼型从工作流体中提取能量，从而产生驱动转子和附接到其上的负载所必需的动力。

涡轮机的叶片在它们以高速旋转时，可能经受振动和轴向扭转。为了解决这些问题，叶片通常包括在每个叶片的尖端与根段之间的中间径向距离处安置在翼型部分上的部分跨距围带。该等部分跨距围带通常连接到每个翼型的压力（凸）面和吸力（凹）面中的每一个上，以使得相邻叶片上的部分跨距围带彼此匹配地配合并且在转子的旋转期间沿彼此摩擦地滑动。

发明内容

在一个示例性但非限制性的实施例中，即本发明的第一个方面，提供了一种用于涡轮机的可旋转叶片，该可旋转叶片包括：翼型部分，其具有前缘和后缘、径向向内端和径向向外端；根段，其连接到翼型部分的径向向内端上；以及大体泪滴形的部分跨距围带，其定位在翼型部分上在根段与径向向外端之间，其中该部分跨距围带具有以下这样的横截面形状：如从该部分跨距围带的前缘所测量，该横截面形状的最大厚度位于从部分跨距围带的前缘到部分跨距围带的后缘延伸的弦长的20%至40%以内。

如上第一方面所述，其中所述最大厚度位于所述弦长的约30%处。

如上第一方面所述，其中所述最大厚度位于所述弦长的31%与37%之间。

如上第一方面所述，其中所述最大厚度位于所述弦长的31%处，并且其中所述部分跨距围带具有由表I中所列出的X-Y坐标所定义的轮廓。

如上第一方面所述，其中所述最大厚度位于所述弦长的36%处，并且其中所述部分跨距围带具有由表II中所列出的X-Y坐标所定义的轮廓。

如上第一方面所述，其中所述最大厚度位于所述弦长的37%处，并且其中所述部分跨距围带具有由表III中所列出的X-Y坐标所定义的轮廓。

如上第一方面所述，其中所述部分跨距围带沿所述翼型部分的径向长度大体位于中间。

如上第一方面所述，其中所述旋转叶片作为以下各项之一进行运行：

压缩机中的前级叶片，

燃气涡轮机中的后级叶片，或

蒸汽涡轮机中的低压段叶片。

如上第一方面所述，其中所述叶片的相邻叶片的对应压力面和吸力面上的部分跨距围带沿相邻的、大体Z形的接触面至少部分地配合。

如上第一方面所述，其中所述叶片的相邻叶片的对应压力面和吸力面上的部分跨距围带具有大体笔直的接触面。

在另一个示例性方面，提供了一种涡轮机，该涡轮机包括：可旋转地安装在定子内的转子，该转子包括轴；安装在该轴上的至少一个转子轮，该至少一个转子轮中的每一个包括安装在其上的多个径向向外延伸的叶片；并且其中每个叶片包括翼型部分，其具有前缘和后缘、径向向内端和径向向外端、压力面和吸力面；根段，其位于该翼型部分的径向向内端处；以及部分跨距围带，其定位在翼型部分上在根段与径向向外端之间、在压力面和吸力面上，其中该部分跨距围带具有大体泪滴形的横截面形状，如从该部分跨距围带的前缘所测量，该横截面形状的最大厚度位于在部分跨距围带的前缘与部分跨距围带的后缘之间延伸的弦长的20%至40%以内。

如上所述最大厚度位于所述弦长的31%处，并且其中所述部分跨距围带具有由表I中所列出的X-Y坐标所定义的轮廓。

如上所述最大厚度位于所述弦长的36%处，并且其中所述部分跨距围带具有由表II中所列出的X-Y坐标所定义的轮廓。

如上中所述最大厚度位于所述弦长的37%处，并且其中所述部分跨距围带具有由表III中所列出的X-Y坐标所定义的轮廓。

如上所述叶片作为以下各项之一工作：

压缩机中的前级叶片，

燃气涡轮机中的后级叶片，或

蒸汽涡轮机中的低压段叶片。

如上所述部分跨距围带沿所述翼型部分的径向长度大体位于中间。

在又一个示例性方面，一种涡轮机包括：可旋转地安装在定子内的转子，该转子包括轴；安装在该轴上的至少一个转子轮，该至少一个转子轮中的每一个包括安装在其上的多个径向向外延伸的叶片；并且其中每个叶片包括翼型部分，其具有前缘和后缘、径向向内端和径向向外端、压力面和吸力面；根段，其位于该翼型部分的径向向内端处；以及部分跨距围带，其定位翼型部分上在根段与径向向外端之间、在压力面和吸力面上，其中该部分跨距围带具有泪滴形的横截面形状，如从该部分跨距围带的前缘所测量，该横截面形状的最大厚度位于在部分跨距围带的前缘与部分跨距围带的后缘之间延伸的弦长的31%至37%处；并且其中如从叶片的根段所测量，该部分跨距围带安置在翼型部分上在该翼型部分的径向高度的约40%与80%之间。

如上所述部分跨距围带具有由分别在表I至表III中所列出的X-Y坐标或由所述坐标的几何缩放所定义的轮廓。

如上所述叶片的相邻叶片的对应压力面和吸力面上的部分跨距围带沿相邻的、大体笔直或Z形的接触面至少部分地配合。

如上所述部分跨距围带沿所述翼型部分的所述径向高度大体位于中间。本发明的这些及其他方面、优点以及突出特征将从以下具体实施方式中，结合下面所标识的附图变得显而易见。

附图说明

图1示出常规蒸汽涡轮机的局部切除透视图；

图2示出常规燃气涡轮机的横截面图；

图3示出并入有部分跨距围带的两个相邻旋转叶片的透视图；

图4示出从图3中获得的包括部分跨距围带的两个相邻旋转叶片的一部分的放大的透视图；

图5示出并入有部分跨距围带的两个相邻旋转叶片的一部分的俯视图，这两个相邻旋转叶片沿相邻部分跨距围带段的笔直接触面可配合；

图6是已知的部分跨距围带构造的示意性横截面图；

图7是根据本发明的示例性但非限制性实施例的部分跨距围带构造的示意性横截面图；

图8是与图7类似的示意性截面图，但该图示出具有定义了部分跨距围带的形状和轮廓的X-Y笛卡尔坐标的另一个示例性实施例；

图9是与图8类似的示意性截面图，但该图示出具有定义了部分跨距围带的形状和轮廓的X-Y笛卡尔坐标的另一个示例性实施例；以及

图10是与图8和图9类似的示意性截面图，但该图示出具有定义了部分跨距围带的形状和轮廓的X-Y笛卡尔坐标的又一个示例性实施例。

应注意，本发明的附图无需按比例绘制。附图仅旨在描绘本发明的典型方面，因此不应视为限制本发明的范围。

具体实施方式

如下所述，本发明的实施例可应用于电力生产中所使用的蒸汽和燃气涡轮机发动机两者。然而，应了解，所述教示同样可应用于其他电机，包括（但不限于）燃气涡轮机发动机压缩机、风机以及航空中所使用的燃气涡轮机。所属领域的技术人员还应明白，本发明可应用于上述不同缩放版本的机器。

图1示出了蒸汽涡轮机10的局部切除透视图。蒸汽涡轮机10包括转子组件12，该转子组件包括轴或转子14和多个轴向间隔开的转子轮18。多个可旋转叶片或动叶20机械地联接到每个转子轮18上。更确切地说，叶片20布置成围绕每个转子轮18周向地延伸的排。多个固定轮叶22围绕轴14周向地延伸并且轴向定位在叶片20的相邻排之间。该等固定轮叶22固定到周围定子上并且与可旋转叶片20协作来形成多个涡轮级之一，并且限定穿过涡轮机10的蒸汽流动路径的一部分。

在操作中，蒸汽24进入涡轮机10的进口26中并且通过固定轮叶22来导引。轮叶22将蒸汽24抵靠着叶片20向下游引导。蒸汽24穿过剩余的级，从而在叶片20上施加力，引起轴或转子14旋转。涡轮机10的至少一端可经由轴14轴向延伸远离转子12并且可附接到负载或其他机器（未示出），如但不限于，发电机和/或另一个涡轮机上。因此，大的蒸汽涡轮机单元实际上可包括共轴地联接到同一轴14上的若干涡轮机。这样一种单元可（例如）包括联接到中间压力涡轮机上的高压涡轮机，该中间压力涡轮机进而又联接到低压涡轮机上。

图1中所示的蒸汽涡轮机10包括五个级。这五个级称为L0、L1、L2、L3以及L4。级L4是第一级并且是这五个级中最小的（在径向方向上）。级L3是第二级并且是在轴向方向上的下一级。级L2是第三级并且示为在这五个级中的中间。级L1是第四级并且是倒数第二级。级L0是最后一级并且是最大的（在径向方向上）。应了解，可能存在多于或少于五个级。

参照图2，示出了燃气涡轮机110的横截面图。燃气涡轮机110包括转子组件112，该转子组件包括轴114和多个轴向间隔开的转子轮118。在一些实施例中，多个旋转叶片或动叶120机械地联接到每个转子轮118上。更确切地说，叶片120布置成围绕每个转子轮118周向地延伸的排。多个固定轮叶122固定到周围定子上并且围绕轴114周向地延伸，轴向定位在叶片120的相邻排之间。

在操作期间，处于大气压下的空气通过压缩机压缩并输送到燃烧级。在该燃烧级（由燃烧室124表示）中，通过将燃料添加到离开压缩机的空气中并且燃烧所产生的空气/燃料混合物来加热该空气。由于燃料在燃烧级中的燃烧而造成的气流随后膨胀穿过涡轮机110，从而输送它的部分能量来驱动涡轮机110并产生机械动力。为了产生驱动转矩，涡轮机110由一个或多个级组成。每级包括安装在转子轮118上的一排轮叶122和一排旋转叶片120。轮叶122将来自燃烧级的进气引导到叶片120上。这驱动了转子轮118的旋转并因此驱动了轴114的旋转，从而产生了机械动力。

以下描述具体地参照叶片20，但同样可应用于叶片120。转向图3和图4，更详细地示出了一对叶片20。每个叶片或动叶20包括翼型部分32。根段34连接到翼型部分32的径向向内端上（或与该径向向内端成整体）。叶片附接构件36从根段34上突出。在一些实施例中，叶片附接构件36可为燕尾榫，但其他叶片附接构件的形状和构造在此项技术中已为我们所熟知并且也涵盖在本说明书中。在翼型部分32的第二、相反端处是径向向外的尖端38。翼型构造形成为包括前缘40、后缘42、吸力面44以及压力面46。

部分跨距围带48附接在翼型部分32处于根段34与尖端38之间的中间段处。在该示例性实施例中，部分跨距围带段50、52分别定位在翼型部分32的吸力面44和压力面46上。在图3所示的示例性实施例中，相邻叶片20的部分跨距围带段50、52设计成在涡轮机的操作期间，沿匹配的Z形边缘54、56至少部分地配合（参看图4），如在已知的部分跨距构造中一样。该等部分跨距围带段接合到翼型部分上在倒角58处（针对部分跨距围带段52所示，但也用于部分跨距围带段50）。

当部分跨距围带在叶片的反扭期间彼此接触时，叶片硬度和阻尼特性得到改善。该多个叶片20因此表现为单个、连续联接的结构，该结构在与离散且未联接的设计相比时，展现出改善的硬度和阻尼特性。叶片20还展现出减小的振动应力。

图5示出了另一个已知的构造，其中相邻的、对应叶片64、66上的部分跨距围带段60、62设计成沿笔直的、大体上平行的边缘68、70配合。

图6示出了用于部分跨距围带（在翼型的压力面和吸力面两者上）的已知横截面形状，如在美国专利5，695，323中所示和所述的并且通常用于如图3至图5中所示的围带构造。请注意，部分跨距横截面的最大厚度位于，沿在部分跨距围带78的前缘74与后缘76之间延伸的弦72的长度大约中间处。

图7示出了根据本发明的示例性但非限制性实施例的用于部分跨距围带80的泪滴形横截面形状。在本说明书中，横截面形状的最大厚度已前移，更接近该部分跨距围带的前缘82。更确切地说，如从前缘82所测量，最大厚度的点位于分别在部分跨距围带80的前缘82与后缘86之间延伸的弦84的长度的20%至40%的范围内，并且优选在约30%处。因此，该部分跨距围带的厚度从最大厚度的位置开始在相反方向上变化。

上述泪滴形的部分跨距围带沿翼型的径向长度大体位于中间，但如从叶片的根段所测量，可位于该翼型部分的径向高度的约40%与80%之间的任何位置。

在更具体的示例性实施例中，如从前缘82所测量，部分跨距围带的最大厚度位于弦84的长度的31%处，如图8中所示。段的形状或轮廓由X-Y笛卡尔坐标来定义，其中在X方向上的零参考点在弦沿其长度尺寸的中心处，并且在Y方向上的零参考点在弦84上。在下面表I中找到在截面图上所示的各点的坐标。参考点1在翼型的前缘上处于Y=0的坐标位置，并且点数在逆时针方向上依序前进。

表I

在另一个示例性实施例中，如从前缘82所测量，最大厚度位于弦84的长度的36%处，如图9中所示。段的形状和轮廓由与图8类似的方案中所列出的X-Y笛卡尔坐标来定义，并且在下面表II中找到截面图上所示的各点的坐标。

表II

在又一个示例性实施例中，如从前缘82所测量，最大厚度位于弦84的长度的37%处，如图10中所示。段的形状和轮廓由与图8和图9类似的方案中所列出的X-Y笛卡尔坐标来定义，并且在下面表III中找到截面图上所示的各点的坐标。

表III

应了解，本发明还涵盖以上表中所定义的部分跨距围带轮廓的几何缩放。

还应了解，对于延伸长度的翼型来说，本说明书中所述的部分跨距围带可与位于翼型的径向向外的尖端38处的常规的翼型尖端围带（图3、图4）组合使用。

上述叶片20和部分跨距围带80可在多种涡轮机环境中使用。例如，结合图7所述的具有部分跨距围带80的叶片可在以下任一种或多种中工作：压缩机的前级；燃气涡轮机的后级；或蒸汽涡轮机中的低压段叶片。以80表示的横截面形状的围带可应用于图3至图5中所示的部分跨距围带构造，但不限于那些构造。

尽管本说明书描述了各种实施例，但所属领域的技术人员从说明书中应了解，可在其中对各要素进行各种组合、修改或改善，且它们均属于本发明的范围内。此外，在不脱离本发明的本质范围的情况下，可以进行多种修改，从而使特定情况或材料适应本发明的教示。因此，希望本发明不限于作为最佳模式来实施本发明的特定实施例，相反，本发明包括所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (20)

1.一种用于涡轮机的可旋转叶片，所述可旋转叶片包括：

翼型部分，其具有前缘和后缘、径向向内端和径向向外端；

根段，其连接到所述翼型部分的所述径向向内端上；以及

大体泪滴形的部分跨距围带，其定位在所述翼型部分上并在所述根段与所述径向向外端之间，其中所述部分跨距围带具有以下这样的横截面形状：如从所述部分跨距围带的前缘所测量，所述横截面形状的最大厚度位于从所述部分跨距围带的所述前缘到所述部分跨距围带的后缘延伸的弦长的20％至40％以内，所述泪滴形部分跨距围带的横截面轮廓由表I、表II、表III中的任意一个所列出的X-Y笛卡尔坐标来定义。

2.如权利要求1所述的可旋转叶片，其中所述最大厚度位于所述弦长的30％处。

3.如权利要求1所述的可旋转叶片，其中所述最大厚度位于所述弦长的31％与37％之间。

4.如权利要求1所述的可旋转叶片，其中所述最大厚度位于所述弦长的31％处，并且其中所述部分跨距围带具有由所述表I中所列出的X-Y坐标所定义的横截面轮廓。

5.如权利要求1所述的可旋转叶片，其中所述最大厚度位于所述弦长的36％处，并且其中所述部分跨距围带具有由所述表II中所列出的X-Y坐标所定义的横截面轮廓。

6.如权利要求1所述的可旋转叶片，其中所述最大厚度位于所述弦长的37％处，并且其中所述部分跨距围带具有由所述表III中所列出的X-Y坐标所定义的横截面轮廓。

7.如权利要求1所述的可旋转叶片，其中所述部分跨距围带沿所述翼型部分的径向长度大体位于中间。

8.如权利要求1所述的可旋转叶片，其中所述旋转叶片作为以下各项之一进行运行：

压缩机中的前级叶片，

燃气涡轮机中的后级叶片，或

蒸汽涡轮机中的低压段叶片。

9.如权利要求1所述的可旋转叶片，其中所述叶片的相邻叶片的对应压力面和吸力面上的部分跨距围带沿相邻的、大体Z形的接触面至少部分地配合。

10.如权利要求1所述的可旋转叶片，其中所述叶片的相邻叶片的对应压力面和吸力面上的部分跨距围带具有大体笔直的接触面。

11.一种涡轮机，其包括：

可旋转地安装在定子内的转子，所述转子包括：

轴；

安装在所述轴上的至少一个转子轮，所述至少一个转子轮中的每一个包括安装在其上的多个径向向外延伸的叶片；并且

其中每个所述径向向外延伸的叶片包括：翼型部分，其具有前缘和后缘、径向向内端和径向向外端、压力面和吸力面；根段，其位于所述翼型部分的所述径向向内端处；以及部分跨距围带，其定位在所述翼型部分上在所述根段与所述径向向外端之间、在所述压力面和所述吸力面上，其中所述部分跨距围带具有大体泪滴形的横截面形状，如从所述部分跨距围带的前缘所测量，所述横截面形状的最大厚度位于在所述部分跨距围带的所述前缘与所述部分跨距围带的后缘之间延伸的弦长的20％至40％以内，所述部分跨距围带的所述最大厚度与所述弦长的比值为0.275或者0.36。

12.如权利要求11所述的涡轮机，其中所述最大厚度位于所述弦长的31％处，并且其中所述部分跨距围带具有由表I中所列出的X-Y坐标所定义的横截面轮廓。

13.如权利要求11所述的涡轮机，其中所述最大厚度位于所述弦长的36％处，并且其中所述部分跨距围带具有由表II中所列出的X-Y坐标所定义的横截面轮廓。

14.如权利要求11所述的涡轮机，其中所述最大厚度位于所述弦长的37％处，并且其中所述部分跨距围带具有由表III中所列出的X-Y坐标所定义的横截面轮廓。

15.如权利要求11所述的涡轮机，其中所述叶片作为以下各项之一工作：

压缩机中的前级叶片，

燃气涡轮机中的后级叶片，或

蒸汽涡轮机中的低压段叶片。

16.如权利要求11所述的涡轮机，其中所述部分跨距围带沿所述翼型部分的径向长度大体位于中间。

17.一种涡轮机，其包括：

可旋转地安装在定子内的转子，所述转子包括：

轴；

安装在所述轴上的至少一个转子轮，所述至少一个转子轮中的每一个包括安装在其上的多个径向向外延伸的叶片；并且

其中每个叶片包括：翼型部分，其具有前缘和后缘、径向向内端和径向向外端、压力面和吸力面；根段，其位于所述翼型部分的所述径向向内端处；以及部分跨距围带，其定位在所述翼型部分上在所述根段与所述径向向外端之间、在所述压力面和所述吸力面上，其中所述部分跨距围带具有大体泪滴形的横截面形状，如从所述部分跨距围带的前缘所测量，所述横截面形状的最大厚度位于在所述部分跨距围带的所述前缘与所述部分跨距围带的后缘之间延伸的弦长的31％、36％或37％处；并且其中如从所述叶片的所述根段所测量，所述部分跨距围带安置在所述翼型部分上在所述翼型部分的径向高度的约40％至80％之间，所述部分跨距围带的所述最大厚度与所述弦长的比值为0.275或者0.360。

18.如权利要求17所述的涡轮机，其中所述部分跨距围带具有由分别在表I、表II及表III中的任意一个所列出的X-Y坐标或由所述坐标的几何缩放所定义的横截面轮廓。

19.如权利要求17所述的涡轮机，其中所述叶片的相邻叶片的对应压力面和吸力面上的部分跨距围带沿相邻的、大体笔直或Z形的接触面至少部分地配合。

20.如权利要求17所述的涡轮机，其中所述部分跨距围带沿所述翼型部分的所述径向高度大体位于中间。