CN107592896A - 用于对涡轮转子叶片进行造型的方法和对应的涡轮叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对轴流机的涡轮转子叶片(14、15)进行造型的方法，该方法具有以下步骤：提供叶型的几何模型，该叶型具有一个涡轮转子叶片(14、15)的型截面的弧线(3)；确定用于在涡轮转子叶片(14、15)周围流动的流的多个边界条件；改变弧线(3)，使得根据多个边界条件调节的流在一个叶片部中产生涡轮转子叶片(14、15)的压力侧与抽吸侧之间的等熵马赫数(22‑25)的差的最大值，该叶片部沿朝向叶片前缘(4)的方向从叶片后缘(5)延伸，并且该叶片部的长度为叶弦长度S的65％。

Description

用于对涡轮转子叶片进行造型的方法和对应的涡轮叶片
技术领域
本发明涉及一种用于对轴流机的涡轮转子叶片进行造型的方法。
背景技术
用于轴流机的叶片的设计趋势是朝向增大叶片的纵横比并使得叶片更薄。以此方式设计的叶片趋向于在轴流机的操作期间颤动。该颤动是在叶片的自然频率下自己引起的振动。该振动可以是叶片的纵向振动，其中振动节点在叶片根部处。由此，能量从在轴流机中流动的流体转移到叶片。随着轴流机的重复负载变化，颤动可能导致叶片的材料疲劳(高周疲劳)。这样的材料疲劳可能导致裂缝的形成，并且使叶片不可避免地具有高更换成本。
传统上，通过降低作用在叶片上的负载来防止颤动。然而，这不利地导致轴流机的效率降低。此外，传统上提供抑制叶片的颤动的阻尼元件(诸如例如，围带)。然而，这是一种结构复杂的解决方案。因此，期望以这样的方式来设计叶片：使得该叶片趋向于不在轴流机的操作期间颤动。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于对轴流机的叶片进行造型的方法，其中该叶片趋向于较少颤动。
根据本发明的用于对轴流机的涡轮转子叶片进行造型的方法具有以下步骤：提供一个叶型的几何模型，该叶型具有一个涡轮转子叶片的型截面的中弧线；确定在涡轮转子叶片周围流动的流的多个边界条件；以如下方式改变该中弧线，即，根据多个边界条件建立的流，在一个叶片部中产生涡轮转子叶片的压力侧与抽吸侧之间的等熵马赫数的差的最大值，该叶片部沿叶片前缘的方向从叶片后缘延伸，并且该叶片部的长度为叶弦长度S的65％。该中弧线是由从压力侧起和从抽吸侧起相同距离的点来限定的型截面的线。叶弦表示从叶片前缘到叶片后缘的型截面中的路径。计算显示：如果根据本发明而将等熵马赫数的差的最大值布置在叶片部中，则不稳定压力分布以如下方式变化，即，局部阻尼区域和局部激励区域在最大程度上彼此补偿。因此，与传统设计的叶片相比，以此方式设计的叶片更趋向于不颤动。这样的低颤动趋势允许该叶片比传统设计的叶片承受更大负载。此外，有利地，无需提供另外的阻尼元件(例如，围带)。
该中弧线优选地由第一四次多项式和第二四次多项式形成，该第一四次多项式描述从叶片前缘到极点的中弧线，并且第二四次多项式描述从极点到叶片后缘的中弧线，极点是中弧线上的与叶弦相距最大距离的点。距离表示以直角从叶弦延伸到中弧线的路径的长度。优选的是，第一多项式通过使用前缘中弧线角、从叶片前缘到叶弦上的与中弧线相距最大距离的点的长度xS1、以及长度S1来形成，其中该前缘中弧线角是中弧线的前缘切线与叶弦之间的角，长度S1是从极点到叶弦的距离，第二多项式通过使用以下项来形成：后缘中弧线角，从叶片后缘到叶弦上的与中弧线相距最大距离的点的长度S-xS1，以及长度S2，其中该后缘中弧线角是中弧线的后缘切线与叶弦之间的角，长度S2是从中弧线到叶弦上的与叶片后缘相距距离xS1+0.5*(S-xS1)的点的距离，其中S是叶弦的长度。如果对于极点假定斜率为零，则第一多项式和第二多项式足以通过这些参数而被确定。
优选的是，该中弧线以如下方式来改变，即，S1为长度S的10.3％至11.3％，xS1为叶弦长度S的35.1％至38.4％，S2为长度S1的64.8％至67.9％，后缘中弧线角为15.192°至19.020°，并且前缘中弧线角为37.663°至39.256°。这些参数有利地保证了叶片仅具有低颤动趋势。中弧线优选地以如下方式来改变，即，S1为长度S的10.8％，xS1为长度S的36.8％，S2为长度S1的66.3％，前缘中弧线角为17.106°，并且后缘中弧线角为38.460°。这些参数有利地实现了以下效果：叶片具有特别低的颤动趋势。
替代地，优选的是，该涡轮转子叶片具有跨音速部，并且跨音速部中的中弧线以如下方式来改变，即，S1为长度S的7.6874％至7.9％，xS1为长度S的35.4311％至36.2％，S2为长度S1的63％至65％，后缘中弧线角为11.0°至12.3°，并且前缘中弧线角为29.0°至31.0°。这些参数具有以下效果：对于在多个边界条件下、在轴流机的操作期间发生的压缩冲击而言，其在长距离的下游中并且以低马赫数梯度发生。颤动的涡轮转子叶片引起流中的扰动。这些扰动可能改变发生在相邻涡轮转子叶片处的压缩冲击的位置。然而，因为压缩冲击被布置在长距离的下游中，所以扰动仅可以小程度地改变压缩冲击的位置。因此，颤动的涡轮转子叶片仅可以引起相邻涡轮转子叶片的很小程度的颤动，因此，总颤动趋势较低。另外，压缩冲击的低马赫数梯度意味着，由压缩冲击引起的颤动被有利地降低。
优选的是，该涡轮转子叶片是独立式的。这意味着，不提供阻尼元件(诸如例如，围带)。
优选的是，该几何模型具有沿着中弧线变化的厚度，该厚度在中弧线的变化期间保持不变。有利地，这里仅改变中弧线来降低叶片颤动的趋势，有利地，这是一种仅改变很少参数的简单方法。
优选的是，流的多个边界条件从轴流机的额定工作条件而被获得。此外，优选的是，流是稳态流。等熵马赫数优选地通过实验来确定和/或通过计算来确定。优选的是，对于涡轮转子叶片的多个不同型截面重复该方法。因此，沿着涡轮转子叶片的高度进行涡轮转子叶片的设计。优选地，该型截面位于柱面或锥面上，并位于轴流机的S1流动面上或切平面中，其中该柱面或锥面的轴线与轴流机的轴线一致。
优选地，该轴流机为燃气轮机或蒸汽轮机。该方法优选地对于多个型截面来执行，这些型截面位于涡轮转子叶片在径向上朝外的一半中；特别地，仅对于位于涡轮转子叶片在径向上朝外的一半中的多个型截面来执行该方法。
根据本发明的用于轴流机的涡轮转子叶片具有一个叶型，该叶型具有涡轮转子叶片的型截面的中弧线，该中弧线以如下方式来形成：基于用于在涡轮转子叶片周围流动的流的多个边界条件，所建立的流产生如下值，即，在叶片部中的、涡轮转子叶片的压力侧与抽吸侧之间的等熵马赫数的差的最大值，其中该叶片部沿叶片前缘的方向从叶片后缘延伸，并且该叶片部的长度为叶弦长度S的65％。
优选的是，该中弧线由第一四次多项式和第二四次多项式形成，该第一四次多项式描述从叶片前缘到极点的中弧线，第二四次多项式描述从极点到叶片后缘的中弧线，极点是中弧线上的与叶弦相距最大距离的点，第一多项式通过使用前缘中弧线角、从叶片前缘到叶弦上的与中弧线相距最大距离的点的长度xS1、以及长度S1来形成，其中该前缘中弧线角是中弧线的前缘切线与叶弦之间的角，长度S1是从极点到叶弦的距离，第二多项式通过使用后缘中弧线角、从叶片后缘到叶弦上的与中弧线相距最大距离的点的长度S-xS1、以及长度S2来形成，其中该后缘中弧线角是中弧线的后缘切线与叶弦之间的角，长度S2是从中弧线到叶弦上的与叶片后缘相距距离xS1+0.5*(S-xS1)的点的距离，其中S是叶弦的长度。
优选的是，该中弧线被形成为使得：S1为长度S的10.3％至11.3％，xS1为长度S的35.1％至38.4％，S2为长度S1的64.8％至67.9％，后缘中弧线角为15.192°至19.020°，并且前缘中弧线角为37.663°至39.256°。替代地，优选的是，涡轮转子叶片具有跨音速部，并且跨音速部中的中弧线被形成为使得：S1为长度S的7.6874％至7.9％，xS1为长度S的35.4311％至36.2％，S2为长度S1的63％至65％，后缘中弧线角为11.0°至12.3°，并且前缘中弧线角为29.0°至31.0°。
根据本发明的轴流机具有根据本发明的涡轮转子叶片，涡轮转子叶片为独立式的，并且该轴流机特别是燃气轮机或蒸汽轮机。
附图说明
下面基于示意性附图更详细地说明本发明，附图中：
图1显示了一个型截面的几何模型；
图2显示了一个传统涡轮转子叶片和一个根据本发明设计的涡轮转子叶片的型截面；
图3显示了一个传统涡轮转子叶片和一个根据本发明设计的涡轮转子叶片的等商马赫数变化的图；
图4显示了一个传统涡轮转子叶片和一个根据本发明设计的涡轮转子叶片的阻尼值变化；
图5显示了一个型截面的厚度分布；以及
图6显示了一个传统涡轮转子叶片和一个根据本发明设计的替代涡轮转子叶片的阻尼值变化。
具体实施方式
图1显示了用于轴流机(例如燃气轮机或蒸汽轮机)的涡轮转子叶片的一个型截面的几何模型。该型截面例如位于一个柱面或一个锥面上，并且位于该轴流机的一个S1流动面上或位于一个切平面中，其中该柱面或锥面的轴线与该轴流机的轴线一致。
如可以从图1看到的，该几何模型具有弯曲的中弧线3，该中弧线3是型截面中的由与涡轮转子叶片的压力侧和与抽吸侧相距相同距离的点限定的线。从图1还可以看到，该涡轮转子叶片具有叶片前缘4和叶片后缘5。该叶片前缘4和该叶片后缘5界定中弧线3。该叶片前缘4与该叶片后缘5之间的路径为叶弦13。图1中以绘图描绘了该几何模型，该绘图的x轴1与该叶弦13一致，并且在该绘图的y轴上绘制了该中弧线3与该叶弦13的距离。该距离表示以直角从该叶弦13延伸到该中弧线的路径的长度。图1中的坐标系被选择为使得该叶片前缘4与该坐标系的原点一致。该叶片后缘5位于点(S，0)处，其中，S是该叶弦13的长度。
该中弧线3由第一四次多项式11和第二四次多项式12形成。该第一四次多项式11描述从该叶片前缘4到极点30的中弧线3。该极点30是中弧线上3的与该叶弦13相距最大距离的点。该第二四次多项式12描述从该极点30到该叶片后缘5的中弧线3。同样，图1中描绘了前缘切线7，该前缘切线是该中弧线3的与该叶片前缘4相切的切线。该前缘切线7与该叶弦13形成前缘中弧线角LESA。图1中还描绘了后缘切线8，该后缘切线是中弧线3的与该叶片后缘5相切的切线。该后缘切线8与该叶弦13形成后缘中弧线角TESA。
第一多项式11通过选择该前缘中弧线角LESA、从该叶片前缘4到该叶弦13上的与该中弧线3相距最大距离的点(xS1，0)的长度xS1、以及长度S1来形成，该长度S1是从点(xS1，0)到该极点30的距离。以下事实意味着足以确定第一多项式11：该极点30的斜率为零，并且该叶片前缘4位于坐标系的原点处。第二多项式12通过选择该后缘中弧线角TESA、从该叶片后缘5到该叶弦13的点(xS1，0)的长度S-xS1、以及长度S2来形成，该长度S2是从点(xS1+0.5*(S-xS1)，0)到该中弧线3的距离。以下事实意味着足以确定第二多项式12：该极点30的斜率为零，并且该叶片后缘5位于点(S，0)处。
在用于对该叶片进行造型的方法中，以针对图1而描述的方式来提供叶型的几何模型。多个边界条件被提供，这些边界条件用于在叶片周围流动的流。这些边界条件例如可以从该轴流机的额定工作条件来获得。以如下方式改变该中弧线3：通过这些边界条件建立的该流在一个叶片部中产生以下值，该值是涡轮转子叶片的压力侧与抽吸侧14、15之间的等熵马赫数22至25的差的最大值，其中该叶片部沿该叶片前缘4的方向从该叶片后缘5延伸，并且该叶片部的长度为该叶弦长度S的65％。
图2显示了传统设计的涡轮转子叶片14和根据本发明设计的叶片15。传统设计的叶片14具有叶片前缘16和叶片后缘18。在改变中弧线3之后，获得根据本发明设计的叶片15。根据本发明设计的叶片15具有叶片前缘17和叶片后缘19。从图2可以看到，在改变该中弧线3之后，根据本发明设计的该涡轮转子叶片15具有比传统设计的叶片14更弯曲的中弧线3。
为了实现等商马赫数的差的最大值根据本发明在叶片部中的效果，描述第一多项式11和第二多项式12的参数例如可以假定以下值：
图3显示了绘图，在该绘图的x轴20上，绘制叶弦13的长度，并且在该绘图的y轴21上，绘制等商马赫数。图3显示了传统设计的叶片14的压力侧上的马赫数变化22和抽吸侧上的马赫数变化24。同样显示了根据本发明设计的涡轮转子叶片15的压力侧上的马赫数变化23和抽吸侧上的马赫数变化25。通过计算来确定马赫数变化22至25。为此，求解用于给定问题的稳态的纳维-斯托克斯(Navier-Stokes)方程。
马赫数变化22至25显示：对于传统设计的涡轮转子叶片，马赫数变化25和23的差在叶片14的前面区域中大于在涡轮转子叶片14的后面区域中。相比之下，对于根据本发明而造型的叶片15的马赫数变化24和22的差而言，该差在涡轮转子叶片15的后面区域中大于在涡轮转子叶片15的前面区域中。根据本发明设计的涡轮转子叶片15的差的最大值大致位于0.5*S的叶弦13的长度处。
图4显示了在x轴25上绘制两个相邻涡轮转子叶片之间的相位角(叶间相位角)的绘图。在图4的y轴26上绘制气动阻尼值。同样描绘了其中气动阻尼值假定零值的零位线27。为了确定涡轮转子叶片是被抑制还是被激励，对于各相位差角求解线性化纳维-斯托克斯方程，并且计算气动阻尼值。图4显示了传统设计的涡轮转子叶片14的阻尼值变化28，以及根据本发明设计的涡轮转子叶片15的阻尼值变化29。该阻尼值变化28还假定负值，这意味着传统设计的涡轮转子叶片14在轴流机的操作期间具有自己引起的颤振。然而，阻尼值变化29对于所有相位差角具有正值，这意味着，根据本发明设计的叶片15在轴流机的操作期间没有自己引起的颤振。
为了实现等商马赫数的差的最大值根据本发明在叶片部中的效果，在一个替代涡轮转子叶片的情况下，描述该第一多项式11和该第二多项式12的参数替代地例如可以在涡轮转子叶片的跨音速部中假定以下值：
均值 下限 上限
S1/S 0.07765 0.076874 0.079
xS1/S 0.35789 0.354311 0.362
S2/S1 0.64042 0.63 0.65
TESA/° 11.9162 11.0 12.3
LESA/° 29.9933 29.0 31.0
图5显示了替代涡轮转子叶片的厚度分布。图5中在绘图中描绘了该厚度分布，该绘图的x轴1与该叶弦13一致，并且在该图的y轴上绘制了替代涡轮转子叶片的厚度。该厚度分布d(t)由以下形式的多项式形成：
d(t)＝a0·tFSE+a1·t+a2·t2+a3·t3，
其中，t从0到1，该叶片前缘4位于0处，并且该叶片后缘位于1处。该多项式通过选择前缘曲率半径RLE、从该叶片前缘4到该叶弦13上的点(xD1，0)的长度xD1、厚度d2以及后缘楔角TEWA来形成，其中在点(xD1，0)处，存在替代涡轮转子叶片的最大厚度D1，并且厚度d2是替代涡轮转子叶片在点(xD1+0.5*(S-xD1)，0)处的厚度。该叶片在该叶片后缘5处还具有朝向该叶片后缘5逐渐变细到一个点的部分，该部分从厚度d3开始并降至零。厚度d3可以在从S的96％至99.9％的范围内。
前面提及的变量可以假定以下值：
图6显示了传统设计的涡轮转子叶片的阻尼值变化31和根据本发明设计的替代涡轮转子叶片的阻尼值变化32。该阻尼值变化32假定为比阻尼值变化31更小程度的负值，因此，该替代涡轮转子叶片比传统涡轮转子叶片更少地趋向于颤动。
虽然已经由优选示例性实施例更具体地图示并详细描述了本发明，但本发明不受所公开的示例限制，并且本领域技术人员可以在不偏离本发明的保护范围的情况下从所公开示例导出其他变型例。

Claims (16)

1.一种用于对轴流机的涡轮转子叶片(14、15)进行造型的方法，所述方法具有以下步骤：
-提供一个叶型的几何模型，所述叶型具有所述涡轮转子叶片(14、15)的一个型截面的一个中弧线(3)；
-确定用于在所述涡轮转子叶片(14、15)周围流动的流的多个边界条件；
-以如下方式改变所述中弧线(3)：根据所述多个边界条件建立的所述流在一个叶片部中产生所述涡轮转子叶片(14、15)的压力侧与抽吸侧之间的等熵马赫数(22-25)的差的最大值，所述叶片部沿所述叶片前缘(4)的方向从所述叶片后缘(5)延伸，并且所述叶片部的长度为叶弦长度S的65％。
2.根据权利要求1所述的方法，
所述中弧线(3)由第一四次多项式(11)和第二四次多项式(12)形成，所述第一四次多项式描述从所述叶片前缘(4)到一个极点(30)的所述中弧线(3)，所述第二四次多项式描述从所述极点(30)到所述叶片后缘(5)的所述中弧线(3)，所述极点(30)是所述中弧线(3)上的与所述叶弦(13)相距最大距离的点。
3.根据权利要求2所述的方法，
所述第一多项式(11)通过使用前缘中弧线角(LESA)、从所述叶片前缘(4)到所述叶弦(13)上的与所述中弧线(3)相距最大距离的点的长度xS1、以及长度S1来形成，其中所述前缘中弧线角(LESA)是所述中弧线(3)的前缘切线(7)与所述叶弦(13)之间的角，所述长度S1是从所述极点(30)到所述叶弦的距离，
所述第二多项式(12)通过使用后缘中弧线角(TESA)、从所述叶片后缘(5)到所述叶弦(13)上的与所述中弧线(3)相距最大距离的点的长度S-xS1、以及长度S2来形成，其中所述后缘中弧线角(TESA)是所述中弧线(3)的后缘切线(8)与所述叶弦(13)之间的角，所述长度S2是从所述中弧线(3)到所述叶弦上的与所述叶片后缘(5)相距距离xS1+0.5*(S-xS1)的点的距离，其中，S是所述叶弦的长度。
4.根据权利要求3所述的方法，
所述中弧线以如下方式来改变：S1为所述长度S的10.3％至11.3％，xS1为所述长度S的35.1％至38.4％，S2为所述长度S1的64.8％至67.9％，所述后缘中弧线角为15.192°至19.020°，并且所述前缘中弧线角为37.663°至39.256°。
5.根据权利要求3所述的方法，
所述涡轮转子叶片(14、15)具有跨音速部，并且所述跨音速部中的中弧线以如下方式来改变：S1为所述长度S的7.6874％至7.9％，xS1为所述长度S的35.4311％至36.2％，S2为所述长度S1的63％至65％，所述后缘中弧线角为11.0°至12.3°，并且所述前缘中弧线角为29.0°至31.0°。
6.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，所述涡轮转子叶片(14、15)为独立式的。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，
所述几何模型具有沿着所述中弧线(3)变化的厚度，所述厚度在所述中弧线(3)的改变期间保持不变。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法，
所述流的所述多个边界条件从所述轴流机的额定工作条件来获得。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的方法，
所述等熵马赫数通过实验来确定和/或通过计算来确定。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的方法，
对于所述涡轮转子叶片(14、15)的多个不同型截面重复所述方法。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的方法，
所述型截面位于柱面或锥面上并位于所述轴流机的S1流动面上或切平面中，所述柱面或锥面的轴线与所述轴流机的轴线一致。
12.根据权利要求1至11中的任一项所述的方法，
所述轴流机为燃气轮机或蒸汽轮机。
13.根据权利要求1至12中的任一项所述的方法，
对于位于涡轮转子叶片在径向上朝外的一半中的多个型截面执行所述方法。
14.一种用于轴流机的涡轮转子叶片，所述涡轮转子叶片具有一个叶型，所述叶型具有所述涡轮转子叶片(14、15)的一个型截面的一个中弧线(3)，所述中弧线(3)以如下方式来形成：基于用于在所述涡轮转子叶片(14、15)周围流动的流的多个边界条件，所建立的所述流在一个叶片部中产生所述涡轮转子叶片(14、15)的压力侧与抽吸侧之间的等熵马赫数(22-25)的差的最大值，所述叶片部沿叶片前缘(4)的方向从叶片后缘(5)延伸，并且所述叶片部的长度为叶弦长度S的65％。
15.根据权利要求14所述的涡轮转子叶片，所述中弧线(3)由第一四次多项式(11)和第二四次多项式(12)形成，所述第一四次多项式描述从所述叶片前缘(4)到极点(30)的所述中弧线(3)，所述第二四次多项式描述从所述极点(30)到所述叶片后缘(5)的所述中弧线(3)，
所述极点(30)是所述中弧线(3)上的与所述叶弦(13)相距最大距离的点，
所述第一多项式(11)通过使用前缘中弧线角(LESA)、从所述叶片前缘(4)到所述叶弦(13)上的与所述中弧线(3)相距最大距离的点的长度xS1、以及长度S1来形成，其中所述前缘中弧线角(LESA)是所述中弧线(3)的前缘切线(7)与所述叶弦(13)之间的角，所述长度S1是从所述极点(30)到所述叶弦的距离，
所述第二多项式(12)通过使用后缘中弧线角(TESA)、从所述叶片后缘(5)到所述叶弦(13)上的与所述中弧线(3)相距最大距离的点的长度S-xS1、以及长度S2来形成，其中所述后缘中弧线角(TESA)是所述中弧线(3)的后缘切线(8)与所述叶弦(13)之间的角，所述长度S2是从所述中弧线(3)到所述叶弦(13)上的与所述叶片后缘(5)相距距离xS1+0.5*(S-xS1)的点的距离，其中，S是所述叶弦的长度，
所述中弧线被形成为使得：S1为所述长度S的10.3％至11.3％，xS1为所述长度S的35.1％至38.4％，S2为所述长度S1的64.8％至67.9％，所述后缘中弧线角为15.192°至19.020°，并且所述前缘中弧线角为37.663°至39.256°，
或者所述涡轮转子叶片(14、15)具有跨音速部，并且所述跨音速部中的中弧线被形成为使得：S1为所述长度S的7.6874％至7.9％，xS1为所述长度S的35.4311％至36.2％，S2为所述长度S1的63％至65％，所述后缘中弧线角为11.0°至12.3°，并且所述前缘中弧线角为29.0°至31.0°。
16.一种轴流机，具有根据权利要求14或15的涡轮转子叶片，所述涡轮转子叶片(14、15)为独立式的，并且所述轴流机具体是燃气轮机或蒸汽轮机。
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