CN112746869A - 受控流式涡轮叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“受控流式涡轮叶片”。本申请提供了一种涡轮叶片(300)。该涡轮叶片包括具有第一弯曲的部分(310)的根部部分(215)、具有第二弯曲的部分(320)的尖端部分(220)、以及定位在根部部分(215)和尖端部分(220)之间的多个平均部分(225)。该平均部分(225)各自包括基本上为棱柱形的形状(330)。

Description

受控流式涡轮叶片
技术领域
本申请和所得的专利整体涉及轴流式涡轮机，诸如蒸汽涡轮机、燃气涡轮机等，并且更具体地涉及以较高纵横比使用以提高效率的受控流式动涡轮叶片。
背景技术
一般而言，蒸汽涡轮机等可以具有限定的蒸汽路径，该蒸汽路径包括蒸汽入口、涡轮部分和蒸汽出口。蒸汽通常可流过通常串联设置的多个涡轮级，包括具有引导件和转轮(或喷嘴和轮叶)的第一级或控制级叶片，以及蒸汽涡轮机的后级的后续引导件和转轮。以此方式，引导件可以将蒸汽引向相应的转轮，从而致使转轮旋转并驱动负载(诸如发电机等)。蒸汽可以由围绕转轮的周向护罩包含，这也可以有助于沿着路径引导蒸汽。以此方式，涡轮引导件、转轮和护罩可能经受由蒸汽产生的高温，这可能导致在这些部件中形成热点和高热应力。因为蒸汽涡轮机的效率部分取决于其操作温度，所以持续需要能够承受越来越高的温度而不会失效或使用寿命缩短的沿着蒸汽或热气路径定位的部件。重要的是改善总体操作灵活性和部件负载性能。
某些涡轮叶片可以形成有翼型几何形状。叶片可以附接到尖端和根部，其中根部用于将叶片联接到盘状部或转鼓。已知的涡轮叶片可具有在尖端和根部之间径向延伸的直的或“棱柱形”形式的翼型横截面。固定叶片和活动叶片的取向已针对棱柱形叶片设计进行了标准化。根据设计，涡轮叶片的几何形状和尺寸可能导致某些型面损失、二次损失、泄漏损失、混合损失等，这可能影响蒸汽涡轮机或其他类型的轴流设备的效率和/或性能。
发明内容
本申请和所得专利因此提供了一种涡轮叶片。损失涡轮叶片可包括具有第一弯曲的部分的根部部分、具有第二弯曲的部分的尖端部分以及定位在根部部分和尖端部分之间的多个平均部分。该平均部分各自包括基本上为棱柱形的形状。
本申请和所得专利因此提供了一种蒸汽涡轮叶片。该蒸汽涡轮叶片可包括具有第一弯曲的部分的根部部分、具有第二弯曲的部分的尖端部分以及定位在根部部分和尖端部分之间的多个平均部分。平均部分可包括与第一弯曲的部分和第二弯曲的部分相比基本上为棱柱形的形状和减小的轴向宽度。
在结合若干附图和所附权利要求阅读以下详细描述后，本申请和所得专利的这些和其他特征和改善对于本领域普通技术人员将变得显而易见。
附图说明
图1是具有高压部分和中压部分的蒸汽涡轮机的示意图。
图2是蒸汽涡轮机的一部分的示意图，示出了具有导向叶片和转轮叶片的多个级。
图3为常规地用于图2的各级的一对叶片的局部透视图。
图4是图3的一对叶片的平面图。
图5示出了图3的一对叶片的叶片出口角α。
图6是如本文所述的叶片的透视图。
图7是显示沿着图6的叶片高度，喉部尺寸与间距尺寸的比率(K)的变化的图表。
图8是显示沿着一相似的叶片高度，喉部尺寸与间距尺寸的比率(K)的变化的图表。
具体实施方式
现在参考附图，其中相同的数字在若干视图中指代相同的元件，图1示出了蒸汽涡轮机10的示例的示意图。一般而言，蒸汽涡轮机10可以包括高压部分15和中压部分20。也可以在本文中使用其他压力和其他部分。外壳或壳体25可以轴向分成上半部分30和下半部分35。壳体25的中心部分40可以包括高压蒸汽入口45和中压蒸汽入口50。在壳体25内，高压部分15和中压部分20可以围绕转子或盘55布置。盘55可以由多个轴承60支撑。蒸汽密封单元65可以位于轴承60中的每一个的内侧。环形部分分隔件70可从中心部分40朝向盘55径向向内延伸。分隔件70可包括多个包装壳体75。可以使用其他部件和其他配置。
在操作期间，高压蒸汽入口45接收来自蒸汽源的高压蒸汽。蒸汽可以被引导通过高压部分15，使得通过盘55的旋转从蒸汽中提取功。蒸汽离开高压部分15并且然后可以返回蒸汽源以进行再加热。然后，再加热的蒸汽可以被重新引导到中压部分入口50。蒸汽可能以与进入高压部分15的蒸汽相比减小的压力，但以与进入高压部分15的蒸汽的温度近似相等的温度返回中压部分20。
图2示出了蒸汽涡轮机100的一部分的示意图，该蒸汽涡轮机包括定位在蒸汽或热气体路径120中的多个级110。第一级130可包括多个周向间隔开的受控流式引导件140和多个周向间隔开的第一级受控流式转轮150。第一级130可包括第一级护罩160，该第一级护罩沿周向延伸并围绕第一级受控流式转轮150。第一级护罩160可包括以环形布置方式彼此相邻定位的多个护罩片段。以类似的方式，第二级170可包括多个第二级受控流式引导件180、多个第二级受控流式转轮190和围绕第二级受控流式转轮190的第二级护罩200。受控流式引导件和转轮可具有反应技术叶片(RTB)设计等。受控流式引导件和转轮可以是原始设备或改型的部分。本文可包括任何数量的具有相应的引导件和转轮的级。其他实施方案可以具有不同的配置。
图3示出了一对叶片205、210，诸如图2所示的受控流式引导件140。叶片205、210可具有已知的直线或棱柱形取向。换句话讲，叶片205、210被设计成使得想象翼型部分(其每个被认为与来自转子的径向线正交)可具有从叶片根部215到叶片尖端220(以及其间的平均部分225)的相同形状，叶片205、210从叶片根部215到叶片尖端220未被扭转，并且叶片205、210被堆叠成前缘230和后缘240各在一条直线上。每个叶片205、210还具有凹形压力表面250和凸形吸力表面260。
本文将详细描述与叶片205、210的设计相关的以下参数。如图5所示，翼型叶片的“叶片出口角α”是例如工作流体离开周向叶片排相对于转子周向的角度，并且其可以从以下关系中导出：
α＝sin-1K，其中K＝喉部尺寸(t)/间距尺度(p)。
如图4所示，“喉部尺寸(t)”例如被定义为从垂直于同一排中的相邻翼型叶片的吸力表面260的一个翼型叶片后缘240延伸的最短线。例如，“间距尺寸(p)”是在距翼型叶片的平台区域的指定径向距离处从同一排中的一个翼型叶片后缘240到相邻翼型叶片后缘240的周向距离。
“设定角(β)”是例如在沿着翼型叶片的高度或跨度的位置处的任何特定翼型部分在其自身平面中从预定零基准移位的角度。例如，该基准可以在径向位置处获得，在该位置处，翼型部分具有与利用这种翼型叶片的已知涡轮机中的已知棱柱形翼型叶片相同的“交错角(Ψ)”。交错角(Ψ)例如是涡轮机的轴线A与接触翼型部分的后缘圆270和前缘280的切线290之间的角(如将在下文中更详细地论述)，且指示翼型部分相对于涡轮机轴线A的定向。
“弦线”285是例如与翼型部分的前缘230和后缘240半径相切的最短线。“弦长”是垂直于弦线并穿过弦线分别接触前缘230和后缘240的点的两条线之间的距离。翼型叶片的“轴向宽度”(W)是例如前缘230与后缘240之间的轴向距离(例如，如沿着涡轮机的旋转轴线A测量的前缘与后缘之间的距离)。“后表面偏转(BSD)角”是例如在翼型叶片的未覆盖表面上在喉部点和在吸力表面上的后缘混合点之间的角度变化。“纵横比”可限定翼型叶片的高度与宽度或弦的比率。
图4示出了叶片205、210相对于涡轮机轴线A(转子55)的取向以及包含壳体25并且涡轮机轴线A垂直于其的横向(例如，切向或周向)平面T的径向平面图。叶片翼型部分基于小后缘圆270和较大前缘280。这两点的切线290限定了与涡轮机轴线A方向的交错角ψ。较大前缘280可具有连续曲率。这些已知的固定叶片205、210在给定径向位置处的轴向宽度(W)为在给定径向位置处前缘230和后缘240之间的距离。
如果从叶片205的吸力表面260画出垂直线以与相邻叶片210的压力表面250相交，则如果取最短的此类线，则这是喉部尺寸t，其出现在叶片210的后缘240的区域中。如上所述且如图5所示，这些固定叶片的喉部尺寸(t)与间距尺寸(p)之比为值K，该值K等于叶片出口角度(α)的正弦，如先前所定义的。可以看出，该角度大约是每个叶片相对于横向平面T的叶片出口角度。
图6示出了如本文所述的翼型叶片300。翼型叶片300可容纳具有更大高度并因此具有更大纵横比的级。翼型叶片300可具有沿叶片300的高度延伸的棱柱形直后缘240。代替上述三个部分(根部215、尖端220和平均部分225)，叶片300可具有根部部分215、尖端部分220以及其间的任何数量的平均部分225。具体地讲，前缘230可具有围绕根部部分215的第一弯曲的受控流式部分310、围绕尖端部分220的第二弯曲的受控流式部分320，以及其间具有直的或棱柱形的形状330的任意数量的平均部分225，以用于“局部混合”区域。
术语“弯曲的”描述了在规定长度上叶片出口角度(α)变化的表面，即“单调减小”的角度。弯曲的受控流式部分310、320远离具有直的或棱柱形的形状330的平均部分225向外弯曲，使得平均部分225具有减小的轴向宽度以改善升力，同时较宽的弯曲的受控流式部分310、320提供较大的前缘掠角。这些部分310、320可沿着压力侧250与相对高的后表面偏转角组合，其中沿着后缘240改进的受控流堆叠。受控流式部分310可限定第一减小的叶片出口角度，第二受控流式部分320可限定第二减小的出口角度，并且平均部分225可限定基本上恒定的叶片出口角度。
弯曲的受控流式部分310、320的性质可在图7和图8中示出，图7和图8描绘出了K(喉部尺寸(t)与间距尺寸(p)的比率)沿叶片300的部分高度(ht)的变化。从根部部分215到沿着第一弯曲的受控流式部分310的高度ht1，叶片出口角(α)的减小使K增大。从高度(ht1)到沿着具有直的或棱柱形的形状330的平均部分225的高度ht2，K可以保持基本稳定，即，在大约在±0.1的范围内。从高度(ht2)到第二弯曲的受控流式部分320的尖端部分220的末端，叶片出口角(α)的减小使K类似的减小。
一般来说，对于大约1比2的较小纵横比，沿着如图7所示的叶片300的高度，第一弯曲的部分310的高度(ht1)在叶片高度(ht)的大约0％和大约50％之间(0≤ht1≤0.5)，第二弯曲的部分320的高度(ht2)在叶片高度(ht)的大约50％和100％之间(0.5≤ht2≤1.0)。在如图8所示的其他叶片中，对于较高的纵横比(即，大于约2的纵横比)，第一弯曲的部分310从叶片高度的约0％延伸至约15％(0≤ht1≤0.15)，并且第二弯曲的部分320从叶片高度的约85％延伸至约100％(0.85≤ht2≤1.0)。在一些叶片中，纵横比可介于约1至约6之间。弯曲的控制部分310、320的高度ht1和ht2可随着沿平均部分225的高度变化而相同或不同。
同样，叶片出口角(α)的变化可为约2≤Δα1≤8°，并且2≤Δα2≤8°。有趣的是，端壁处的闭合可大于沿着平均部分225的直的或棱柱形的形状330的K±0.1的范围，即，沿着第一弯曲的受控流动部分310的K的变化和沿着第二弯曲的受控流动部分320的K的变化两者都大于沿着数个平均部分225的K±0.1的范围。
因此，翼型叶片300可适应约1至约6左右的纵横比以用于有更大高度的级，并且可导致型面和二次损耗减小。具体地，使用具有直的或棱柱形的形330的平均部分225提供了具有较低型面损失的增加的升力，这是由于具有高后表面偏转的较高开口/间距以及具有前向前缘掠角的弯曲的受控流式部分310、320减少了总的二次流损失。鉴于此，叶片300在大部分总高度(约15％至约85％)上具有更恒定的K分布，其中仅在朝向端壁出具有局部受控流闭合损失。所有部分都具有高的后负载，以减少进一步的型面损失和二次损失。
因此，翼型叶片300可改善整体效率，同时减少可能的部件损坏和/或故障。具体地讲，改善的翼型叶片300通过易于改型的能力来提高整体效率。
应当显而易见的是，前述内容仅涉及本申请和所得专利的某些实施方案。在不脱离由所附权利要求及其等同物限定的本发明的一般实质和范围的情况下，本领域普通技术人员可以在本文中进行许多改变和修改。

Claims (10)

1.一种涡轮叶片(300)，包括：
根部部分(215)，所述根部部分(215)包括第一弯曲的部分(310)；
尖端部分(220)，所述尖端部分(220)包括第二弯曲的部分(320)；和
多个平均部分(225)，所述多个平均部分定位在所述根部部分(215)和所述尖端部分(220)之间，其中所述多个平均部分(225)中的每一个包括基本上为棱柱形的形状(330)。
2.根据权利要求1所述的涡轮叶片(300)，其中所述基本上为棱柱形的形状包括喉部尺寸(t)与间距尺寸(p)的比率(K)，所述比率为K±0.1。
3.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮叶片(300)，其中与所述第一弯曲的部分(310)和所述第二弯曲的部分(320)相比，所述多个平均部分(225)包括减小的轴向宽度(W)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮叶片(300)，其中所述第一弯曲的部分(310)和所述第二弯曲的部分(320)包括远离所述多个平均部分(225)的内弯。
5.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮叶片(300)，其中所述第一弯曲的部分(310)包括第一减小的叶片出口角(α)，其中所述第二弯曲的部分(320)包括第二减小的叶片出口角(α)，并且其中所述多个平均部分(225)包括基本上恒定的叶片出口角(α)，所述基本上恒定的叶片出口角大于所述第一减小的叶片出口角(α)和所述第二减小的叶片出口角(α)。
6.根据权利要求5所述的涡轮叶片(300)，其中所述第一减小的叶片出口角(α)和所述第二减小的叶片出口角(α)介于约两度和八度之间。
7.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮叶片(300)，其中所述第一弯曲的部分(310)包括喉部尺寸(t)与间距尺寸(p)的第一比率(K)，其中所述第二弯曲的部分(320)包括第二比率(K)，并且其中所述多个平均部分(225)包括大于所述第一比率(K)和所述第二比率(K)中的每个的基本上恒定的比率(K)。
8.根据权利要求7所述的涡轮叶片(300)，其中沿所述第一弯曲的部分(310)的所述第一比率(K)的第一变化和沿所述第二弯曲的部分(320)的所述第二比率(K)的第二变化大于沿所述多个平均部分(225)的所述基本上恒定的比率(K±0.1)的平均变化。
9.根据权利要求1所述的涡轮叶片(300)，其中对于约一比二的第一纵横比，所述第一弯曲的部分(310)沿着所述叶片(300)的第一高度(ht1)从所述叶片(300)的总高度(ht)的约百分之零延伸至约百分之五十；并且
其中对于约一比二的第二纵横比，所述第二弯曲的部分(320)沿着所述叶片(300)的第二高度(ht2)从所述叶片(300)的总高度(ht)的约百分之五十延伸至约百分之百。
10.根据权利要求1所述的涡轮叶片(300)，其中对于高于约二的第一纵横比，所述第一弯曲的部分(310)沿着所述叶片(300)的第一高度(ht1)从所述叶片(300)的总高度(ht)的约百分之零延伸至约百分之十五；并且
其中对于高于约二的第二纵横比，所述第二弯曲的部分(320)沿着所述叶片(300)的第二高度(ht2)从所述叶片(300)的总高度(ht)的约百分之八十五延伸至约100％。
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