CN1060891A - 在内和/或外壁中带有吸气孔的涡轮机叶片组及涡轮机 - Google Patents

在内和/或外壁中带有吸气孔的涡轮机叶片组及涡轮机 Download PDF

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Abstract

涡轮机叶片组带有设在内壁与外壁之间的叶片 (A、B)，其中至少在一些叶片附近的内壁和/或外壁 上开有吸气孔(4，4′)，所述孔(4，4′)具有沿叶片(A) 最大弯曲面(7)到所述叶片(A)和相邻叶片(B)间的 通道(3)的喉部(8)之间延伸的邻近叶片的上表面设 置的第一端部(6)，其特征是所述孔(4，4′)沿等压线 定位，并且具有一个长度，从而第二端部(9)与叶片 (A)上表面隔开，其间距离是叶片间通道(3)的喉部 (8)的四分之一到二分之一。涡轮机带有这种叶片组。 减少二次流损失并改善效率。

Description

本发明涉及一种涡轮机叶片组，其带有设置在内壁和外壁之间的叶片，而且其中在至少一些叶片附近的内壁和/或外壁上带有吸气孔，所述的吸气孔具有一个沿叶片最大弯曲面到所述叶片和相邻叶片间的通道的喉部之间延伸的邻近叶片的上表面设置的第一端部。
设置在该叶片组的内和/或外壁中的吸气孔用来吸走沿内壁和外壁的边界层。这些边界层中会发生扰动现象。参见例子，1941年11月在法国的Brown，Boveri杂志第356到第361页发表的文章：“涡轮机叶片出口处的损失”一文，尤其是图2和图3。
这些扰动伴随着大量的损失，即二次流损失，它以与叶片高/弦比成反比的形式影响着叶片的效率。
1977年5月4日出版的日本专利JP-A-52-54807描述了一个带有吸气孔的叶片组的实例。
已知的这个孔穿过叶片间通道并从一个叶片的上表面延伸到相邻叶片的下表面。
人们发现这些孔无法使涡轮机得到改善，而且甚至会增大其损失。
在本发明的叶片组中，能够提高效率的孔沿一等压线定位，并且具有一个长度从而第二端部与叶片上表面隔开，其距离是叶片间通道喉部宽度的四分之一到二分之一。
沿着孔的压力是不变的，以使吸出的流体不会象已知的叶片组那样从孔的另一部分流出。
本发明也涉及一台涡轮机，其包括有多级，每级都由一个静叶片组接一个旋转叶片组构成，所述的一组叶片安置在一内壁与一外壁之间。旋转叶片组的外壁上设有密封件，其与转子相对的部分确定出一系列腔室，在静叶片组的外壁上靠近至少一些叶片处设置吸气孔，所述孔具有一个沿叶片最大弯曲面到所述叶片与相邻叶片间通道的喉部之间延伸的邻近叶片的上表面设置的第一端部，其特征是所述孔沿等压线定位，并且具有一个长度从而第二端部离开叶片的上表面，其距离是叶片间通道喉部宽度的四分之一到二分之一，所述孔与涡轮机的较低压力部分相连。
当本发明用于一级静叶片组时，孔通过导管与设在下一级旋转叶片组的密封件的前部密封腔相连。
当本发明用于一级旋转叶片组时，在旋转叶片组的下壁靠近至少一些叶片处设置吸气孔，所述孔具有沿从叶片最大弯曲面到所述叶片和相邻叶片间通道的喉部之间延伸的邻近叶片上表面设置的第一端部，所述孔沿等压线定位，并且具有一个长度，从而第二端部与叶片上表面隔开，其距离是叶片间通道喉部宽度的四分之一到二分之一，而且所述孔由一根向上穿过叶片、并通向密封件下游端或其最末端腔之一的导管连接。
孔的第二端部间隔叶片上表面的距离最好约为叶片间通道喉部宽度的三分之一。
本发明从下面的描述中将更易理解，其中：
图一为一台传统涡轮机的轴向截面图，
图2是现有技术的涡轮机的吸气口;
图3示出了损失是图2所示的涡轮机距壁面的距离的函数;
图4表示本发明的静叶片组的吸气孔的位置;
图5示出了图4结构的损失;
图6表示本发明旋转叶片组的吸气孔位置;
图7为本发明带叶片组的涡轮机的轴向剖视图;
图8为图7中所示的涡轮机的局部横向剖视图。
图1显示出是叶片环的一部分且叶片底部安置在内壁1上而顶部安置在外壁Z上的两个叶片A和B。内壁1和外壁2通常具有筒状或锥台状的表面。
叶片B的下表面、叶片A的上表面、内壁1和外壁2共同限定出一个带有穿过叶片B出口边缘的喉部8的叶片间通道3。所述喉部8代表叶片间通道的最小宽度。
在该叶片间通道中，远离壁面处气流按层流流线流动，如线h所示;在邻接内壁和外壁处流体流线在L和m方向上垂直于等压线且在这些流线撞在叶片A的上表面时会产生涡流。
图2显示了如日本专利52-54807号所公开的那种孔4。
处于内和/或外壁中的孔4的目的是吸走部分边界层。
图3是局部损失p与距叶片组内壁1或外壁2的距离Y之间的函数关系图。实曲线a表示叶片间通道没有吸气孔时的损失。与壁相接触的损失很大，因为壁面上形成了边界层。损失随着距离远离壁面而减小，然后再开始增大。这表示位于过渡涡旋处的损失;而后损失在更远离壁面时再次减小;相对远离壁面，损失则只由叶片所产生的边界层所带来。
曲线b和c显示出具有如图2所示的吸气孔的叶片组的损失。当吸入气体流量很小，约为通过叶片组的总流量的0.5%时，损失大大的增加（曲线b）。如果吸入气体流量增大，损失就会减小（曲线c），但是对于吸气流量达到主流量的3%这样一个极高的数值时，总的损失仍然大于无吸气的叶片组。
性能这样差的原因与吸气孔的流体有关。沿着吸气孔的压力并不是一定的，在孔的某处即压力达到最高处，流体被有效地吸入，但在孔的另一压力较低的部位则被阻滞，这很自然地伴随着很大的损失。
图4显示出本发明吸气孔的两端位置。在由两叶片A和B限定出的叶片间通道3中显示出了从两维空间叶片组的计算中演绎出的等压线5。这种计算（涡轮机领域的技术人员熟知的）对于离壁面足够远的流体是精确的。对于流体速度大小及方向而言邻近壁面的流动特性很不相同，但众所周知的是静态压力只相对于远离壁面部分的静态压力有微小的变化。图4显示出孔4，4′的两个端部。
吸气孔4，4′安置在靠近叶片A处。它的第一端面6沿着从叶片最大弯曲面到叶片间通道3的喉部8延伸的邻近叶片上表面设置。
孔4，4′是由直线组成的并沿等压线伸出。其第二端面9位于距离等于叶片间通道的最小宽度（即喉部8宽度）的三分之一处。孔的长度限制了靠近叶片上表面的其有效部分，以减小吸出的流量。
图5表示测得的本发明经孔4来吸气的损失p（曲线d）。将其与无任何吸气装置而测得的损失（曲线a）进行比较可以看出有很大的改进。
图6表示将本发明申请应用于等压线与图4所示稍有不同的一个旋转叶片组。
图7表示涡轮机的两级10，每一级包括一个静叶片组11和一个旋转叶片组12。图中显示出吸气孔是如何安置的。对于静叶片组11，吸气孔4由通道13连接，其经一喷孔14喷入下一级旋转叶片组12的外端的密封件15内的腔室。经过静叶片组的高压差产生了实现吸气所需的压力差。
当然，该方法不能用于旋转叶片组12。在这些叶片组的外端设置吸气孔是不可能的。然而可以在其内端通过离心效应实现吸气。在叶片厚的部位开设一径向（或斜向）导管16，用来建立通道内壁（半径为R1）的孔4与外壁（半径为R2）处密封件的最下游腔室17之间的连通。孔4与径向导管16间的连通由连接管（见图8）来提供。离心力1/2ω2（R2 2-R2 1）产生使流体由内壁流向外壁的压力差，其中ω是角速度。如果产生的压差过高，对于给定的所需流量，径向导管16可以制成向旋转叶片组12密封件15的倒数第二腔室17′喷出的形式，以限制通过密封件的泄漏流量19，其中该流量由排出静叶片的流体中抽出，且显然不作功。通过喷口14或通过导管16到达密封件中的总流量等于或小于通常无这样的吸气孔会进入密封件中的泄漏流量。事实上因减少了二次流损失因而保持了所有的改进。

Claims (5)

1、涡轮机的叶片组包括设在内壁(1)和外壁(2)之间的叶片(A、B)，其中至少在一些叶片(A)附近的内壁(1)和/或外壁(2)上开有吸气孔(4.4′)，所述孔(4.4′)具有一个沿从叶片A最大弯曲面(7)到所述叶片(A)和相邻叶片(3)之间通道(3)喉部之间延伸的邻近叶片的上表面设置的第一端部(6)，其特征是能够提高效率的孔(4.4′)沿等压线定位，并且具有一定长度从而第二端部(9)与叶片(A)上表面隔开，其间距离是叶片间通道(3)的喉部(8)的四分之一到二分之一。
2、涡轮机，包括多级（10），每级由带有一旋转叶片组（12）的静叶片组（1）构成，每组（11，12）的叶片安置在一内壁（1）和一外壁（2）之间，旋转叶片组（12）的外壁（2）上设置有密封件（15）、其与转子相对的部分一道限定出一系列腔室（17.17′），静叶片组（1）的外壁（2）在靠近至少一些叶片处开设有吸气孔（4），所述孔（4）具有沿从叶片最大弯曲面（7）到所述叶片（A）和相邻叶片（3）间通道的喉部（8）之间延伸的邻近叶片上表面设置的第一端部（6），其特征是所述孔（4）沿等压线定位，并且具有一个长度，从而第二端部（9）与叶片上表面隔开，其间距离是叶片间通道（3）喉部（8）宽度的四分之一到二分之一，所述孔（4）与涡轮机的较低压力部分（14）相连。
3、根据权利要求2所述的涡轮机，其特征是所述孔（4）由一个通道与下一级（10）的旋转叶片组（12）的密封件（15）下游处的密封腔（17）相连。
4、涡轮机，包括多级（10），每级由接着一旋转叶片组（12）的静叶片组（11）构成，每组（11，12）叶片安置在一内壁（1）和一外壁（2）之间，旋转叶片组（12）的外壁上设有密封件（15），其与转子相对的部分一道限定出一系列腔室（17.17′），其特征是静叶片组（12）的外壁（1）上在靠近至少一些叶片处开设有吸气孔（4），所述孔（4）具有一个沿从叶片最大弯曲面（7）到所述叶片（A）和相邻叶片（B）间通道喉部（8）之间延伸的邻近叶片上表面设置的第一端部（6），所述孔（4）沿等压线定位，并具有一个长度从而第二端部（9）与叶片上表面隔开，其间距离是叶片间通道（3）喉部（8）宽度的四分之一到二分之一之间，且所述孔（4）通过一根向上穿过所述叶片并通向密封件下游侧或密封件最末端腔室（17，17′）之一的导管（16）连接。
5、根据上述权利要求之一所述的叶片组，其特征是孔（4）的第二端部（9）距叶片上表面的距离约为叶片间通道（3）的喉部（8）宽度的三分之一。
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