CN105026689A - 具有有着不同后缘轮廓的交替导叶的导叶装置 - Google Patents

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CN105026689A CN201480012304.8A CN201480012304A CN105026689A CN 105026689 A CN105026689 A CN 105026689A CN 201480012304 A CN201480012304 A CN 201480012304A CN 105026689 A CN105026689 A CN 105026689A
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Abstract

一种用于将工作流体从涡轮机的入口端引导到出口端的静止导叶装置，该静止导叶装置包括：至少一排多个静止导叶(230)，该静止导叶在围绕静止外壳的周边以一周向间距从外壳径向向内延伸，每个静止导叶(230)都具有与后缘(310)相对的前缘(320)以及在前缘和后缘之间延伸的相对的纵向表面(300a，300b)，其中静止导叶的第一部分的后缘具有第一端部轮廓(340)且静止导叶的第二部分的后缘具有与第一端部轮廓不同的第二端部轮廓(330)，并且其中静止导叶布置成使得具有第一端部轮廓的每个静止导叶位于具有第二端部轮廓的静止导叶之间，以使后缘下游的基本尾迹通过频率最小化。

Description

具有有着不同后缘轮廓的交替导叶的导叶装置
对相关申请的交叉引用
1.本PCT申请要求2013年3月14日提交的美国专利申请No.13/804,179的优先权，该申请的公开内容在此通过引用整体并入。
技术领域
2.本发明总的涉及涡轮机，更具体地涉及一种用于涡轮机的静止叶片装置，该静止叶片装置适于通过针对流量和声脉冲两者使气流均质化来减少转子叶片和/或转子轮盘激励(excitation)以及减轻脱离静止叶片的涡旋的影响。
背景技术
3.涡轮机如离心式压缩机、轴流式压缩机和涡轮机可用于各种行业中。离心式压缩机和涡轮机特别是广泛用于发电厂、喷气发动机应用、燃气轮机和汽车应用。离心式压缩机和涡轮机通常还用于大规模工业应用如用于炼油行业中的空气分离设备和热气体膨胀器中。离心式压缩机还用于诸如炼油厂和化工厂的大规模工业应用中。
4.参考图1，示出了根据传统设计的多级离心式涡轮机10。在一些应用中，可采用单级。这样的涡轮机10一般包括由一对轴承40可旋转地支承在壳体30内的轴20。图1所示的涡轮机10包括用于逐渐升高工作流体的流体压力的多个级。各级相继沿涡轮机10的纵向轴线布置并且所有级可具有或不具有以相同原理工作的类似构件。
5.继续参考图1，叶轮50包括周向布置并安装在叶轮毂70上的多个旋转叶片60，叶轮毂70又安装在轴20上。叶片60可选地安装在盖盘65上。多个叶轮50可沿轴20的轴向长度在多个级中间隔开。旋转叶片60与叶轮毂70固定地联接成使得旋转叶片60连同叶轮毂70一起随着轴20旋转而旋转。旋转叶片60在安装在静止管状外壳上的多个静止导叶或定子80的下游旋转。诸如气体混合物的工作流体沿轴20的轴向进入和离开涡轮机10。来自工作流体的能量引起旋转叶片60关于定子80的相对运动。在离心式压缩机中，叶轮50内的旋转叶片60之间的截面积从入口端到排出端减小，使得工作流体随着它从叶轮50通过而被压缩。
6.参照图2，诸如气体混合物的工作流体从涡轮机10的入口端90移动到出口端100。设置在入口端90处的一排定子80将工作流体引导到设置在涡轮机10的出口端100处的一排旋转叶片60中。定子80在外壳内延伸以将工作流体引导到旋转叶片60。定子80在外壳的周边周围以相等的间距在单独的支柱之间周向地间隔开。扩散器110设置在旋转叶片60的出口处，以使离开旋转叶片60的流体流均质化。扩散器110可选地具有在外壳内延伸的多个扩散器导叶120。扩散器叶片120在扩散器壳体的周边周围以相等的间距在各个扩散器叶片120之间周向地间隔开。在多级涡轮机10中，在涡轮机10的出口端100处设置有用于将工作流体引导到下一个连续级的旋转叶片60的多个返回通道导叶125。在这样的实施例中，返回通道导叶125提供来自涡轮机10的第一级的定子80的功能。多级涡轮机中的最后一个叶轮典型地仅具有可设置有或未设置有扩散器导叶的扩散器。最后一个扩散器将工作流体流引导到具有用于与排出管道连接的出口凸缘的排出壳体(蜗壳)。在单级实施例中，涡轮机10包括位于入口端90处的定子80和出口端100处的扩散器110。
7.参考图3，示出了多个定子80的示意图。每个定子80都具有彼此大致平行地定向的一对相对的纵向表面130a、130b。定子80理想而言关于涡轮机10的纵向轴线成相同角度定向。每个定子80都具有设置在其下游端处的后缘140和设置在其上游端处的前缘150。各定子80的后缘140与相邻定子80的后缘140等同地成形。例如，后缘140可具有在圆形部位终止的尖形轮廓。类似地，各定子80的前缘150可具有与后缘140相对应的形状。各扩散器叶片120(未示出)的前缘150理想而言与后缘140等同地形成。例如，类似于定子80的后缘140，扩散器叶片120的前缘可具有在圆形部位终止的尖形轮廓。
8.涡轮机的一个重要设计要点是控制旋转叶片和毂在涡轮机的全部工作范围的振动。涡轮机中的旋转叶片和轮盘通过a)上游的定子支柱和/或导叶尾迹以及与下游支柱和导叶交互的势流，b)通过不均匀的周向压力分布而形成的流动流中的其它不均匀，c)旋转叶片通过频率的声脉冲和/或d)脱离静止导叶的涡旋——其进而引起外壳内的气体的一致的声共振而被激励共振。例如，可能由于叶片通过频率的声波反射提供旋转模式的导叶而发生Tyler/Sofrin模式。(参考Tyler.J.M.和Sofrin，T.G.，1962，《轴流压缩机噪声研究(Axial Flow Compressor Moise Studies)》，SAETransactions，Vol.70，pp.309-332。)声脉冲以不同方式从定子支柱反射，从叶轮进一步返回，并减小了旋转模式的有效振幅。例如，在具有15个旋转叶片和20个定子支柱的叶轮中，存在5-直径旋转模式。如果5-直径结构模式等于转速的20倍，则可以通过将下游定子支柱中的一半设定为声波长度的一半来降低叶片激励，因为波反射将引起相位抵消。
9.这些激励引起循环应力，从而导致潜在的高周期疲劳和旋转叶片、毂或罩盖处的叶轮失效。当叶片模态频率与轴旋转频率与叶片存在的流量不均匀的谐波数的乘积相对应时，叶轮构件可被激励至大的振幅。典型地，限制振幅足够大而导致高周期疲劳的谐波数。由于疲劳损伤率仅在材料的无限疲劳强度被破坏的情况下发生，所以振幅的适度减少通常会消除作为叶片和轮盘寿命的限制因素的高周期疲劳。
10.当前解决这些问题的一种做法是通过在遇到共振时快速改变速度来避免在共振频率下操作，由此最大限度地减少叶片在操作期间蓄积的疲劳周期数。如果使振动周期数最小化，则叶片失效受不同于下游尾迹、声脉冲、流动不均匀或涡旋脱落的机制控制。然而，该做法对涡轮机的运转施加了不希望的限制。
11.目前的另一种方法是通过将空气直接喷射到障碍物后方的低速尾迹中来减少流场中的空间变化(Rao，N.M.，Feng，J.，Burdisso，R.A和Ng，W.F.，《用于减少风扇叶片振动和噪音的主动流量控制(Active FlowControl to Reduce Fan Blade Vibration and Noise)》，5.sup.th AIAA/CEASAeroacoustic Conference，American Institute of Aeronautics andAstronautics，May 10-12，1999)。该方法需要相对大量地使用来自压缩机或另外的外部空气源的空气。压缩空气的使用对性能有不利影响。单独的空气供给的添加增加了重量且需要动力。两种方法都对性能有不利影响。此外，尾迹填充未解决由于来自下游流动障碍物的弓形波而引起的模态激励。
12.在现有技术内，已提出多种用于减小旋转叶片的振幅和/或提供噪声控制的方法。授予Kuhnel等人的美国专利申请公报No.2007/0274826公开了一种用于压缩机叶轮的扩散器。Kuhnel等人的公报的图1公开了包括引导叶片的扩散器结构，每个所述引导叶片都由两个叶片构件形成。第一叶片构件具有入口边缘，且第二叶片构件具有从另一入口边缘后退的入口边缘。图2示出了另一实施例，其中在叶片构件之间设置有第三叶片构件。阶梯式的入口边缘设置用于噪声控制。
13.授予Barton等人的美国专利No.7,189,059公开了一种具有位于叶轮周围的入口覆环(shroud)的压缩机。如图2所示的覆环包括多个间隔开的导叶或具有支柱末端的支柱。如图6所示，支柱构造成在第一端和支柱末端之间改变厚度。这种厚度的变化被实施为支柱第一端和支柱末端之间的直线形渐缩以提高支柱的自然频率。
14.Crall等人的美国专利No.6,439,838描述了在轴流式压缩机中利用导叶的可变周向间隔来实现减少的振动激励。
15.Clark,J.，“Design Strategies to Mitigate Unsteady Forcing(Preprint)”，AFRL-RZ-WP-TP-2008-2112说明了用于旋转叶片的激励的现有技术，包括在具有水平分流装置的机器的上、下两个半体中使用不同数量的静止导叶。
16.然而，现有技术设计无一针对于适合除减小声压力脉冲和旋转叶片上的直接压力负荷外、还通过扰乱流动流内的连续尾迹并减轻脱离导叶的涡旋的影响来减少转子叶片激励的静止导叶装置。
发明内容
17.根据一个实施例，提供了一种用于将工作流体从涡轮机的入口端引导到出口端的静止导叶装置。该静止导叶装置包括围绕外壳周边以一周向间隔从外壳径向向内延伸的至少一排多个静止导叶。每个静止导叶都具有与后缘相对的前缘以及在前缘和后缘之间延伸的相对的纵向表面。静止导叶的第一部分的后缘可具有第一端部轮廓，且静止导叶的第二部分的后缘可具有与第一端部轮廓不同的第二端部轮廓。静止导叶可布置成使得具有第一端部轮廓的静止导叶设置在具有第二端部轮廓的静止导叶之间以使后缘下游的基本尾迹通过频率最小化。
18.根据另一实施例，第一端部轮廓可具有大致圆形端部且第二端部轮廓可具有关于支柱的相对的纵向表面成角度的锥形端部。在另一实施例中，第一端部轮廓可具有关于支柱的相对纵向表面沿第一方向成角度的锥形端部，且第二端部轮廓可具有关于相对的纵向表面沿第二方向成角度的锥形端部。
19.根据又一个实施例，多个静止导叶可设置在涡轮机的入口端处。静止导叶可构造成用于将工作流体引导到多个静止导叶下游的一排旋转叶片。多个静止导叶可围绕延伸穿过外壳的纵向轴线彼此以相等的距离围绕外壳的周界在周向上间隔开。静止导叶可相对于延伸穿过外壳的纵向轴线定向在相同角位置。在一个实施例中，多个静止导叶可具有直线形轮廓。在另一实施例中，多个静止导叶可具有流线形轮廓。
20.根据又一实施例，具有多个旋转叶片的转子可设置在多个静止导叶下游，使得多个静止导叶适合将工作流体引导到多个旋转叶片。另外，可选地具有多个扩散器叶片的扩散器可设置在多个旋转叶片的下游，在外壳的周边周围以一周向间距从外壳径向向内延伸。当设置时，每个扩散器导叶都将具有与后缘相对的前缘以及在前缘和后缘之间延伸的相对的纵向表面。扩散器导叶的第一部分的前缘可具有第一端部轮廓，且扩散器导叶的第二部分的前缘可具有与第一端部轮廓不同的第二端部轮廓。扩散器导叶可布置成使得具有第一端部轮廓的扩散器导叶设置成邻近具有第二端部轮廓的扩散器导叶。
21.根据又一实施例，多个扩散器导叶可绕延伸穿过外壳的纵向轴线彼此等距地在外壳的周边周围周向地间隔开。扩散器导叶可定向在关于延伸穿过外壳的纵向轴线的相同角位置。在一个实施例中，多个扩散器导叶可具有直线形轮廓。在另一实施例中，扩散器叶片可具有流线形轮廓。
22.根据另一实施例，一种涡轮机可具有外壳，该外壳具有沿外壳的纵向轴线与出口端相对的入口端。在外壳内设置有轴组件，该轴组件在入口端和出口端之间延伸。此外，具有多个转子叶片的转子可从轴组件径向向外延伸。另外，在转子上游设置有静止导叶装置。该静止导叶装置可包括在外壳的周边周围以一周向间隔从外壳径向向内延伸的至少一排多个静止导叶。每个静止导叶都可具有与后缘相对的前缘以及在前缘和后缘之间延伸的相对的纵向表面。静止导叶的第一部分的后缘可具有第一端部轮廓，且静止导叶的第二部分的后缘可具有与第一端部轮廓不同的第二端部轮廓。扩散器导叶可布置成使得具有第一端部轮廓的静止导叶设置成邻近具有第二端部轮廓的静止导叶。
23.根据另一实施例，多个静止导叶可设置在涡轮机的入口端并且可构造成用于将工作流体引导到多个静止导叶下游的一排旋转叶片。在此实施例中，多个静止导叶可定向在关于延伸穿过外壳的纵向轴线的相同角位置。根据一个实施例，多个静止导叶可具有直线形轮廓。或者，多个静止导叶可具有流线形轮廓。另外，多个扩散器叶片可设置在多个旋转叶片的下游，在外壳的周边周围以一周向间隔从外壳径向向内延伸。每个扩散器导叶都可具有与后缘相对的前缘以及在前缘和后缘之间延伸的相对的纵向表面。扩散器导叶的第一部分的前缘可具有第一端部轮廓，且扩散器导叶的第二部分的前缘可具有与第一端部轮廓不同的第二端部轮廓。扩散器导叶可布置成使得具有第一端部轮廓的扩散器导叶设置成邻近具有第二端部轮廓的扩散器导叶。
24.在参考附图阅读以下说明和附后权利要求后，该涡轮机的这些和其它特征和特点以及结构的相关元件和零部件的组合的操作方法和功能及制造的经济性将变得显而易见，所有附图构成本说明书的一部分，其中同样的附图标记在各图中表示对应的部件。然而，应该清楚地理解的是，附图仅出于图示和说明的目的且并非意图作为对本发明的限制的定义。如本说明书和权利要求书中所用，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数个指代物，除非上下文清楚地另外指出。
附图说明
25.图1是根据现有技术实施例的多级、离心式涡轮机的局部剖切的透视图；
26.图2是图1所示的涡轮机的一个级的示意截面图；
27.图3是根据现有技术实施例的多个定子的示意图；
28.图4是沿根据本发明的一个实施例的多级、离心式涡轮机的一个级的沿纵向轴线的示意截面图；以及
29.图5A-5C示出了根据本发明的两个实施例的静止导叶装置的示意图。
具体实施方式
30.出于下文中的说明的目的，用语“上”、“下”、“右”、“左”、“竖向”、“水平”、“顶部”、“底部”、“横向”、“纵向”及其派生词应当如在附图中定向那样与本发明相关。然而，应该理解的是，本发明可采取替代变型和步骤顺序，在清楚地相反指定的情况下除外。还应该理解的是，附图中示出且在以下说明书中描述的特定装置和方法仅仅是本发明的示例性实施例。因此，与文中公开的实施例有关的特定尺寸和其它物理特征不应该被视为限制性的。
31.如上所述，传统涡轮机10中的旋转叶片60通过a)上游的定子支柱和/或导叶尾迹以及与下游支柱和导叶交互的势流，b)通过不均匀的周向压力分布而形成的流动流中的其它不均匀，c)在旋转叶片通过频率下的声脉冲和/或d)来自脱离支柱或导叶的涡旋的声脉冲——其进而引起外壳内的气体的重合的声共振——而被激励共振。当叶片模态频率与轴旋转频率与旋转叶片60存在的流动不均匀的谐波数的乘积相对应时，旋转叶片60可被激励至大的振幅。
32.为了弥补现有技术的这些缺陷，本发明提供了一种适合使进入旋转叶片的流均匀以减小破坏力并扩大应用范围的静止导叶装置。本发明提供了一种静止导叶装置，该静止导叶装置适合通过针对流脉冲和声脉冲两者使气流均匀来减少转子叶片和/或轮盘激励以及减轻脱离静止导叶的涡旋的影响。
33.参考图4，涡轮机200包括适合减少或消除由于涡旋在定子支柱的后缘处脱离而引起的流动流中的不均匀导致的共振的静止导叶装置。图4示出了涡轮机200的单级；然而，本领域普通技术人员将理解，图4所示的特定构件可以容易地适合用于多级涡轮机如多级离心式压缩机中。
34.继续参考图4，涡轮机200包括周向布置在可随轴220旋转的轮盘215周围的多个旋转叶片210。在涡轮机200具有多个级(未示出)的实施例中，旋转叶片210配置在沿轴220的轴向长度的多个级中。在另一实施例中，旋转叶片210可与轴220固定地联接成使得旋转叶片210随着轴220旋转而旋转。旋转叶片210在安装在静止的管状外壳240上的多个静止导叶230(即，静止导叶装置)附近旋转。诸如气体混合物的工作流体从涡轮机200的入口端250移动到出口端260。设置在入口端250处的一排静止导叶230在涡轮机200的出口端260处将工作流体引导到一排旋转叶片210中。静止导叶230的数量可与旋转叶片210的数量相对应。或者，静止导叶230的数量可高于或低于旋转叶片210的数量。理想而言，旋转叶片210的数量不等于静止导叶230的数量，以便在所有叶片沿圆线同相振动时消除圆形模式和扭振模式。静止导叶230可具有偶数或奇数个单独的导叶。由于空气动力学考虑，静止导叶230理想而言紧邻旋转叶片210设置，以增进混合并减轻脱离导叶的涡旋的影响。该布置减小了声压力脉动并且将压力负荷引导到旋转叶片210上。
35.扩散器280连同可选的扩散器导叶270一起设置在旋转叶片210的出口处以使离开旋转叶片210的流体流均匀。扩散器280理想而言设置在涡轮机200的出口端260处。每个扩散器280都可选地具有跨外壳延伸以将工作流体引导到下一个连续级的静止导叶230的一个或多个扩散器导叶270。扩散器导叶270理想而言围绕扩散器外壳的圆周相等地间隔开。
36.静止导叶230跨静止外壳240的内部延伸以将工作流体引导到旋转叶片210。静止导叶230在静止外壳240的周边周围以等间距在各个导叶之间周向地间隔开以确保理想的空气动力学性能。为了克服引起在传统支柱的后缘的下游形成基本尾迹通过频率的现有技术设计的缺陷，本发明加入了适合在涡轮机以各种运行速度运行时减少旋转叶片的一个或多个共振模式的振动激励的静止导叶装置。
37.参考图5A-5C，示出了根据本发明的多个实施例的静止导叶装置的各种构型。图5A-5C中的每一者都示出了多个静止导叶230的示意图。在各实施例中，静止导叶230具有一对相对的纵向表面300a、300b。如图5A-5C所示，各静止导叶230的相对的纵向表面300a、300b大致是直线的且彼此大致平行。在替代实施例中，各静止导叶230的相对的纵向表面300a、300b可以是流线形的，从而具有特定空气动力学轮廓。
38.每个静止导叶230都具有设置在其下游端处的后缘310和设置在其上游端处的前缘320。与各静止导叶的后缘与每个相邻的后缘相同地成形的现有技术设计形成对比，图5A-5C所示的静止导叶230包括用于减小或抵消定子尾迹产生的力以减少旋转叶片210的一个或多个共振模式的振动激励的改型设计。
39.具体参考图5A，示出了具有后缘310和前缘320的交替图案的静止导叶230，该静止导叶用于具有奇数个静止导叶230的定子。在一个优选和非限制性的实施例中，静止导叶230被分组成两组或三组以使均匀尾迹图案交替。例如，具有如图5A所示布置的21个静止导叶230的定子具有三个静止导叶组的群组的重复图案。静止导叶230理想而言以相等的径向距离定位在相邻导叶之间。另外，所有静止导叶230布置在静止外壳240内的相同纵向位置，使得所有静止导叶230与旋转叶片210(图5A中未示出)等距地隔开。静止导叶230布置成使得静止导叶230中的前一半具有在大致圆形端部330处终止的后缘310和前缘320，类似于图3所示的静止导叶80。图5A所示的静止导叶装置的静止导叶230中的后一半具有在锥形端部340处终止的后缘310和前缘320。两种类型的静止导叶230布置成使得每个具有圆形端部330的静止导叶230定位在具有锥形端部340的静止导叶230之间。锥形端部340是通过关于相对的纵向表面300a、300b成一定角度切割一个纵向表面300a、300b的一部分而形成的。每个静止导叶230的后缘310和前缘320可具有沿相同方向或相对方向逐渐变细的锥形端部340，如图5A所示。
40.各扩散器导叶(未示出)的前缘理想而言以相似方式形成。例如，各扩散器导叶的前缘可具有交替图案，其中一些扩散器导叶具有大致圆形的前缘而其余扩散器导叶具有锥形前缘。
41.具体参考图5B，示出了具有后缘310和前缘320的交替图案的静止导叶230，该静止导叶用于具有偶数个静止导叶230的定子。与图5A所示的实施例相似，静止导叶230被分组为两组或三组以使均匀的尾迹图案交替。例如，具有如图5B所示布置的20个静止导叶230的定子具有由两对静止导叶的群组的重复图案。静止导叶230理想而言以相等的径向距离定位在相邻导叶之间。另外，静止导叶230在交替偏离的纵向位置布置在静止外壳240内，使得一些静止导叶230比其它静止导叶230更接近旋转叶片210(图5A中未示出)。静止导叶230布置成使得静止导叶230中的前一半具有在大致圆形端部330处终止的后缘310和前缘320，类似于图5A所示的静止导叶230。图5B所示的静止导叶装置的静止导叶230中的后一半具有在锥形端部340处终止的后缘310和前缘320，与图5A所示的静止导叶装置相似。两种类型的静止导叶230布置成使得每个具有圆形端部330的静止导叶230定位在具有锥形端部340的静止导叶230之间。具有圆形端部330的静止导叶230相对于具有锥形端部340的静止导叶230沿纵向回退。在该布置中，具有圆形端部330的静止导叶230定位成比具有锥形端部340的静止导叶230更接近旋转叶片210(图5B中未示出)。锥形端部340是通过关于相对的纵向表面300a、300b成一定角度切割一个纵向表面300a、300b的一部分而形成的。各个静止导叶230的后缘310和前缘320可具有沿相同方向或相对方向逐渐变细的锥形端部340，如图5B所示。
42.具体参考图5C，示出了根据另一实施例的具有后缘310和前缘320的交替图案的静止导叶230，该静止导叶用于具有偶数个静止导叶230的定子。与其它实施例相似，静止导叶230被分组为两组或三组以使均匀的尾迹图案交替。例如，具有如图5C所示布置的20个静止导叶230的定子具有由两对静止导叶的群组的重复图案。静止导叶230理想而言以相等的径向距离定位在相邻导叶之间。另外，所有静止导叶230都布置在静止外壳240内的相同纵向位置，使得所有静止导叶230与旋转叶片210(图5C中未示出)等距地隔开。图5C所示的静止导叶装置的所有静止导叶230具有在锥形端部340处终止的后缘310和前缘320。锥形端部340是通过关于相对的纵向表面300a、300b成一定角度切割一个纵向表面300a、300b的一部分而形成的。在此实施例中，锥形端部340布置成使得它们成互相相对的角度倾斜。换言之，静止导叶230布置成使得锥形端部340在相邻的静止导叶230之间被交替地切割。以相似方式，各扩散器导叶(未示出)的前缘理想而言以类似方式形成。例如，各扩散器叶片的前缘可具有交替图案，其中扩散器叶片具有互相相对的锥形前缘。
43.上述静止导叶装置适合通过扰乱流动流内的连续尾迹来减少旋转叶片210和轮盘215的激励并减轻声脉冲和脱离静止导叶230的涡旋的影响。静止导叶230的后缘310下游的基本尾迹通过频率下的激励的形成被最大限度地减少，由此减轻了涡轮机以各种运行速度运行时旋转叶片的一个或多个共振模式的振动响应。此外，通过上述静止导叶装置减轻了对声激励的响应。
44.为了判定离开静止导叶230的尾迹产生的力是否在给定的运行速度下对于整个转子彼此抵消，关于与旋转叶片210交互的静止导叶230的数量来考虑转子上的旋转叶片210的数量。例如，对于轮盘215或相联接的叶片结构模式，例如15-叶片叶轮中的5-直径模式，脱离静止导叶230的激励力对于除10-导叶或20-导叶定子外的所有静止导叶装置而言相抵消。如果自然频率等于10-叶片定子的运行速度的10倍，或在结构频率等于运行速度的20倍的情况下自然频率等于10-或20-叶片定子的运行速度的10倍，则力不会相抵消。将说明不能实现相位抵消的实施例的参数方程表示如下：
45.方程(1)                   方程(2)
46.未处于轮盘临界速度下：  处于轮盘临界速度下：
47.(a)|y·S|+|z·B|＝n    (a)B＞1
48.(b)y·S＝h             (b)y·S＝h＝n
49.(c)fr＝y·S·ω        (c)fr＝n·ω
50.其中：
51.B＝旋转叶片的数量
52.S＝静止元件的数量
53.fr＝速度下的自然频率，Hz
54.h＝谐波速度
55.n＝径节线的数量
56.y和z＝大于0的整数
57.ω＝转速，Hz
58.静止导叶装置下游的不均匀流可由与在旋转叶片通过频率下声压力脉冲的旋转模式有关的多个因素引起。静止导叶230的上游和下游的旋转叶片210的交互对旋转叶片通过频率下的声脉冲产生影响。一般而言，反射声波在具有直径数量等于旋转叶片210和静止导叶230的数量之差的绝对值的直径样式的轮盘215内产生。例如，在具有15个旋转叶片210和10个上游静止导叶230的涡轮机200中，存在5-直径旋转声模式(|15-10|＝5)。类似地，在具有15个旋转叶片210和20个上游静止导叶230的涡轮机200中也存在5-直径旋转声模式(|15-10|＝5)。激励频率在20倍转速等于5-直径轮盘或叶片联接模式频率的情况下引起共振。在两种情况下，相对于旋转叶片210的旋转模式在等于15倍转速的频率下出现。这种声交互激励通常仅在以下情况下有意义：在旋转元件内的旋转模式的共振速度下，气体的相同直径样式声模式同时与旋转叶片通过频率一致。另一种气体模式的声激励可由涡旋脱离静止导叶230的后缘的频率产生。反之，具有相同模式形状(即直径数量)的声模式频率在等于轮盘或叶片联接模式频率加上或减去直径数量与轴速度的乘积的情况下可以处于共振速度。轴流式涡轮机典型地由于以上方程中使用的较高数值以及旋转叶片和静止导叶的数量之间的高差异而具有针对轮盘模式的叶片/导叶交互共振的低风险。相应地，具有低于运行速度的轮盘临界速度或交互共振的任何设计在跨越低速时具有有限数量的共振周期。尽管如此，可以通过适当选择根据本文描述的实施例的旋转叶片210的数量和静止导叶230的设计来缓和所有这三个潜在的激励源。
59.尽管已参考涡轮机如压缩机说明了上述静止导叶装置，但该设计同样适用于任何其它采用叶片式轮盘结构的涡轮机，包括但不限于径向流入涡轮、风扇、轴向/离心式压缩机、燃气轮机、喷气发动机、涡轮泵、膨胀器、马达中的冷却流元件和发电机。本领域的技术人员可对这些实施例做出改型和变型而不脱离本发明的范围和精神。例如，应理解，本发明预期，在尽可能的情况下，任何实施例的一个或多个特征可与任何其它实施例的一个或多个特征组合。因此，前面的说明意图是说明性的而不是限制性的。上文所述的发明由所附权利要求限定，并且处于权利要求的等效方案的含义和范围内的本发明的所有变化应该被包含在它们的范围内。

Claims (20)

1.一种用于将工作流体从涡轮机的入口端引导到出口端的静止导叶装置，所述静止导叶装置包括：
围绕静止外壳的周边以一周向间距从所述外壳径向向内延伸的至少一排的多个静止导叶，每个静止导叶都具有与后缘相对的前缘以及在所述前缘和所述后缘之间延伸的相对的纵向表面，
其中，所述静止导叶的第一部分的后缘具有第一端部轮廓，且所述静止导叶的第二部分的后缘具有与所述第一端部轮廓不同的第二端部轮廓，并且
其中，所述静止导叶布置成使得具有所述第一端部轮廓的每个静止导叶位于具有所述第二端部轮廓的静止导叶之间，以使所述后缘下游的基本尾迹通过频率最小化。
2.根据权利要求1所述的静止导叶装置，其中，所述第一端部轮廓包括大致圆形的边缘，并且其中，所述第二端部轮廓包括关于所述静止导叶的相对的纵向表面成角度的锥形端部。
3.根据权利要求1所述的静止导叶装置，其中，所述第一端部轮廓包括关于支柱的相对的纵向表面沿第一方向成角度的锥形端部，并且其中，所述第二端部轮廓包括关于所述相对的纵向表面沿第二方向成角度的锥形端部。
4.根据权利要求1所述的静止导叶装置，其中，所述多个静止导叶设置在涡轮机的入口端处且构造成用于将工作流体引导到所述多个静止导叶下游的一排旋转叶片。
5.根据权利要求1所述的静止导叶装置，其中，所述多个静止导叶绕延伸穿过所述外壳的纵向轴线、彼此等距地围绕所述外壳的周边周向地间隔开。
6.根据权利要求1所述的静止导叶装置，其中，所述多个静止导叶的所述第一部分相对于所述多个静止导叶的所述第二部分关于延伸穿过所述外壳的纵向轴线偏离。
7.根据权利要求1所述的静止导叶装置，其中，所述多个静止导叶具有直线形轮廓。
8.根据权利要求1所述的静止导叶装置，其中，所述多个静止导叶具有流线形轮廓。
9.根据权利要求1所述的静止导叶装置，还包括设置在所述多个静止导叶下游的具有多个旋转叶片的转子，其中，所述多个静止导叶构造成用于将工作流体引导到所述多个旋转叶片。
10.根据权利要求9所述的静止导叶装置，还包括扩散器，所述扩散器可选地具有设置在所述多个旋转叶片的下游并围绕所述外壳的周边以一周向间距从所述外壳径向向内延伸的多个扩散器导叶，每个扩散器导叶都具有与后缘相对的前缘以及在所述前缘和所述后缘之间延伸的相对的纵向表面，其中，所述扩散器导叶的第一部分的前缘具有第一端部轮廓且所述扩散器导叶的第二部分的前缘具有与所述第一端部轮廓不同的第二端部轮廓，并且其中，所述扩散器导叶布置成使得具有第一端部轮廓的扩散器导叶设置成邻近具有第二端部轮廓的扩散器导叶。
11.根据权利要求4所述的静止导叶装置，其中，所述多个静止导叶绕延伸穿过所述外壳的纵向轴线、彼此不等距地围绕所述外壳的周边周向地间隔开。
12.根据权利要求10所述的静止导叶装置，其中，所述多个扩散器导叶绕延伸穿过所述外壳的纵向轴线、彼此不等距地围绕所述外壳的周边周向地间隔开。
13.一种涡轮机，包括：
外壳，所述外壳具有沿所述外壳的纵向轴线与出口端相对的入口端；
设置在所述外壳内的轴组件，所述轴组件在所述入口端和所述出口端之间延伸；
转子，所述转子具有从所述轴组件径向向外延伸的多个旋转叶片；
设置在所述转子上游的静止导叶装置，
其中，所述静止导叶装置包括：
围绕所述外壳的周边以一周向间距从所述外壳径向向内延伸的至少一排的多个静止导叶，每个静止导叶都具有与后缘相对的前缘以及在所述前缘和所述后缘之间延伸的相对的纵向表面，
其中，所述静止导叶的第一部分的后缘具有第一端部轮廓，且所述静止导叶的第二部分的后缘具有与所述第一端部轮廓不同的第二端部轮廓，并且
其中，所述静止导叶布置成使得具有所述第一端部轮廓的静止导叶设置成邻近具有所述第二端部轮廓的支柱。
14.根据权利要求13所述的涡轮机，其中，所述多个静止导叶设置在所述涡轮机的入口端处并且构造成用于将工作流体引导到所述多个静止导叶下游的一排旋转叶片。
15.根据权利要求13所述的涡轮机，其中，所述多个静止导叶以与延伸穿过所述外壳的纵向轴线相同的角位置定向。
16.根据权利要求13所述的涡轮机，其中，所述多个静止导叶具有直线形轮廓。
17.根据权利要求13所述的涡轮机，其中，所述多个静止导叶具有流线形轮廓。
18.根据权利要求13所述的涡轮机，还包括扩散器，所述扩散器可选地具有设置在所述多个旋转叶片的下游并围绕所述外壳的周边以一周向间距从所述外壳径向向内延伸的多个扩散器导叶，每个扩散器导叶都具有与后缘相对的前缘以及在所述前缘和所述后缘之间延伸的相对的纵向表面，其中，所述扩散器导叶的第一部分的前缘具有第一端部轮廓且所述扩散器导叶的第二部分的前缘具有与所述第一端部轮廓不同的第二端部轮廓，并且其中，所述扩散器导叶布置成使得具有第一端部轮廓的扩散器导叶设置成邻近具有第二端部轮廓的扩散器导叶。
19.根据权利要求17所述的涡轮机，其中，所述多个扩散器导叶绕延伸穿过所述外壳的纵向轴线、彼此等距地围绕所述外壳的周边周向地间隔开。
20.一种涡轮机，包括：
外壳，所述外壳具有沿所述外壳的纵向轴线与出口端相对的入口端；
设置在所述外壳内的轴组件，所述轴组件在所述入口端和所述出口端之间延伸；
至少一个转子，所述转子具有从所述轴组件径向向外延伸的多个旋转叶片；
与所述至少一个转子相对应的至少一个静止导叶装置，所述至少一个静止导叶装置还包括：
设置在所述至少一个转子的上游的至少一排的多个静止导叶，所述多个静止导叶围绕所述外壳的周边以一周向间距延伸从所述外壳径向向内延伸，每个静止导叶都具有与后缘相对的前缘以及在所述前缘和所述后缘之间延伸的相对的纵向表面，
其中，所述静止导叶的第一部分的后缘具有第一端部轮廓，且所述静止导叶的第二部分的后缘具有与所述第一端部轮廓不同的第二端部轮廓，并且
其中，所述静止导叶布置成使得具有所述第一端部轮廓的静止导叶设置成邻近具有所述第二端部轮廓的静止导叶；以及
至少一个扩散器，所述扩散器可选地具有设置在所述转子的下游并围绕所述外壳的周边以一周向间距从所述外壳径向向内延伸的一排的多个扩散器导叶，每个扩散器导叶都具有与后缘相对的前缘以及在所述前缘和所述后缘之间延伸的相对的纵向表面，
其中，所述扩散器导叶的第一部分的前缘具有第一端部轮廓，且所述扩散器导叶的第二部分的前缘具有与所述第一端部轮廓不同的第二端部轮廓，并且
其中，所述扩散器导叶布置成使得具有所述第一端部轮廓的扩散器导叶设置成邻近具有所述第二端部轮廓的扩散器导叶。
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