CN1251153A - 汽轮机和汽轮机叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种汽轮机(1),它有一个流动通道(2)。在流动通道(2)内叶片(5)排列成叶片环(55)。流动通道(2)的壁(3)上具有槽形结构(6),它有目的地影响工作流(13)流经流动通道(2)的流动。尤其是在叶片环(55)每两个叶片(5)之间有一个带槽形结构(6)的间隔面(31)。本发明还涉及汽轮机的叶片。

Description

汽轮机和汽轮机叶片
本发明涉及一种具有流动通道和在流动通道内设有叶片的汽轮机以及汽轮机的叶片。
在DE 19546008A1中介绍了一种汽轮机叶片，它使用于汽轮机前末级和末级的湿蒸汽区。这种汽轮机叶片由于小水滴的撞击受到磨蚀。为了减少这种磨蚀，汽轮机叶片的叶身在其进汽边区域内和在其叶片背弧区域内或至少在它们的部分范围内，与叶身前侧面的表面粗糙度相比有大得多的表面粗糙度。由于这种表面粗糙度，在汽轮机叶片表面保持了一层水膜，它降低撞击的小水滴的腐蚀作用。
DE 3609541C2涉及减小紊流溢流体的流动阻力。阻力的减小通过降低紊流的壁面剪应力达到。为此，此紊流溢流体表面制有分成多组的肋。这些肋侧面对着流动方向互相错开排列而且沿流动方向具有较短的尺寸。DE3609541C2具体公开了这样的一种表面结构，用于减小飞机升力面的流动阻力。
DE 4319628A1涉及流体机械与液体接触表面的结构化。通过加上一种沟槽形结构使流动损失降到最低程度。其中对液体泵的具体状况加以了考虑。
DE G 9013099涉及一种用于从流动介质吸收能量或用于将能量释放给流动介质的转子，它由轮毂和至少一个转子叶片组成。为了提高转子效率，使转子的转子叶片有波纹的形状。除了必需的波纹形状外，转子叶片也可以完全地被网纹覆盖。
US-PS 3481531介绍了用于离心压缩机，尤其是燃气轮机的工作轮。工作轮有沿径向向外延伸的叶片，工作轮壁位于叶片之间。工作轮壁上制有沿径向向外延伸的槽，从而打破了燃气附着在壁上的边界层并因而将能量损失降到最低程度。
US-PS 4023350公开了一种减少燃气轮机压力损失的装置。此装置由一系列隆凸组成，它们在燃气轮机叶片环两个相邻叶片之间延伸。此系列隆凸用于引起涡流，由此减小边界层厚度并因而降低由于横向流动引起的损失。
在1994年第1109号VDI报告中，Jetter和Rieβ在第241页的论文“不同加工质量的涡轮叶片型面的流体特性-Strmungstechnische Eigenschaftenvon Turbinenschaufelprofilen unterschiedlicher Fertigungsqualitten”中描述了表面粗糙度对涡轮叶片型面效率的影响。文中阐明了表面粗糙度，例如铣槽对型面损失的影响，但是由于其他参数的重要性，所以迄今这种影响无法准确定量。
由Klaus Menny，B.G.Teubner所著的书“Strmungsmaschinen”(Stuttgart，1995)已知一种汽轮机。统称“Strmungsmaschinen”的流体机械包括水轮机、蒸汽和燃气轮机、风车、离心泵和离心压缩机及螺旋桨推进器，所有的这些机械的共同点是，它们的目的都是要从工作流中提取能量，以便驱动另一个机器；或反之，向工作流输送能量，以便提高工作流的压力。举简单的涡轮机为例可以说明流体机械的工作方式：工作流进入机器内并首先流过固定的导向叶片的叶片环。在此过程中提高了工作流的速度并因而增加其动能。它的压力并因而其势能下降。与此同时，由于导向叶片的形状产生了一个沿一个在导向叶片环下游的工作叶片环周向的速度分量。工作流经过工作叶片环时将它的动能输送给转子，工作叶片环与此转子连接，在工作流绕流工作叶片时它的方向以及往往还有它的速度值发生变化。于是工作叶片环作旋转运动。具有减少了的能量含量的工作流从机器排出。由涡轮所获得的机械能与从工作流提取的能量之比称为涡轮效率。
本发明的目的是提供一种高效率的汽轮机。本发明的另一个目的是提供一种汽轮机用的叶片，借助这种叶片可使汽轮机获得高的效率。
本发明有关汽轮机方面的目的借助于这样一种汽轮机来实现，该汽轮机包括一个沿一轴线定向的具有通道壁和具有在流动通道内排列的叶片的流动通道，其中，通道壁至少局部有一种具有互相隔开间距的表面凸起的槽形结构。
在这样一种汽轮机中，借助于制在通道壁上的槽形结构，可有目的地影响工作流沿局部有变化的主流方向流过流动通道。通道壁必须是不相关联的表面。通道壁最好由环形流动通道的内壁和外壁组成。影响流动的主要是横向于工作流主流方向的横向流动，例如涡流，它们由于槽形结构引起的提高了的流动阻力而被消减。因为这些横向流动会导致降低效率，所以使这些横向流消减有助于提高汽轮机的效率。
最好每个叶片排列在一个叶片环内，作为通道壁一部分的间隔面处于在叶片环内彼此相邻的两个叶片之间。具有表面凸起的槽形结构在此间隔面上延伸。工作流沿着在那里通过叶片确定的主流方向在两个相邻叶片之间流动。间隔面可以沿主流方向经相邻叶片端点间的连线向外延伸。措词“处于……之间”用来表述间隔面的位置，而不是用来严格地确定其沿主流方向的范围。叶片环的这些间隔面可特别有效地使可能出现的横向流通过制在这些表面上的槽形结构被消减。叶片环可例如理解为一种叶片的装置，其中，叶片装在一个内部的和一个外部的分别为环形的边界之间，或叶片只在一端固定，例如固定在汽轮机的转子上。
最好每个叶片有一个叶身，它有一个与间隔面邻接的叶身轮廓，每一个在间隔面上延伸的表面凸起配属一个最近的叶身轮廓。表面凸起最好大体与叶身轮廓平行定向。因此槽形结构大体沿工作流的主流方向定向，以及大体垂直于可能出现的横向流定向。其结果是导致增大垂直于主流方向的流动阻力，并因而导致横向流消减。
叶片的第一部分最好设计为工作叶片。叶片的第二部分最好设计为导向叶片。
一些叶片最好各有一叶根部分，叶片借助于该叶根部分插入转子或外壳上一个环形的对所有这些叶片公共的槽内。由此构成的叶片环的叶片，它们的叶根部分彼此相靠。每个叶根部分有在通道一侧的叶根表面，它构成通道壁的一部分。为了在通道壁上制槽形结构，可在通道一侧的叶根表面上，亦即在叶片的叶根部分上制作槽形结构。因此，在加工技术上可采用简单的方法在叶片装入流体机械中之前就已经在各叶片的叶根部分上加工好槽形结构。
最好其中一种叶片与转子或外壳的一个仅为单个叶片所设计的槽配合。整个叶片环优选由这样的叶片构成。在这种情况下，间隔面基本上通过位于叶片环相邻叶片的有关槽之间的转子表面构成。
一部分叶片最好互相连接成一联合体，使每一个这种叶片只有被破坏才能从此联合体拆出。这种联合体最好是一个叶片环或部分叶片环。此叶片环或此部分叶片环可例如通过焊接制成，或由一个整装(kompakt)工件或由多个整装工件通过腐蚀(Herauserodieren)出叶片制成，在由多个整装工件制成的情况下在腐蚀出叶片后组装在一起。
相邻表面凸起的距离最好在0.01mm与10mm之间。此外，最好每两个相邻表面凸起包含一个槽底并构成一个槽，每个槽从表面凸起之间的连线到槽底最低点测量的槽深在1μm与1mm之间。
每个叶片最好有一个叶身，一种叶身槽形结构至少局部地在至少一个叶身上延伸。因此便也可以影响流体机械中工作流流过叶片叶身上的槽形结构。
本发明有关叶片方面的目的通过提供一种流体机械用的叶片实现，这种叶片沿叶片轴线定向并具有一个叶片表面和一个叶根部分及与叶根部分邻接的叶身，叶根部分有用于将叶片固定在流体机械内的固定部分，叶身有叶身表面，其沿叶片轴线依次包括下部区、中部区和上部区，其中，叶片表面至少局部有包括互相隔开间距的表面凸起在内的槽形结构，通过槽形结构可有针对性地影响工作流绕流叶片表面，在这里，槽形结构在下部区和/或上部区内延伸，而中部区是光滑的。
因此分别在叶身的边缘区借助槽形结构影响叶片的绕流。在这里所谓“光滑”指的是，中部区的表面也许会有槽、毛茸不平或隆凸，但与下部区和/或上部区内的槽相比它们浅或小。
每个表面凸起最好与一个垂直于叶片轴线的平面成一个延伸角延伸，其中规定第一表面凸起有第一延伸角，第二表面凸起有与第一延伸角不同的第二延伸角。
通过叶片表面的槽形结构可以影响装入流体机械内的叶片的绕流，使得流体机械的效率得到提高。尤其可以借助于槽形结构削弱可能出现的横向流动。这些横向流动是横向于工作流主流方向出现的支流。因为这些横向流动会引起效率损失，所以消减它们便可以提高效率。
叶片的叶根部分意味着是一个与叶身邻接的固定装置，叶片可通过它与流体机械连接，例如与汽轮机的转子或内壳连接。一个叶轮的多个叶片的叶根部分也可以组合成单一的构件，例如构成一个叶轮。此外，叶片还可以有叶冠，它例如适用于密封在流体机械的叶片与外壳或转子之间的间隙漏流。
术语“槽形结构”还包括在叶片表面不同区域内可以是不同的结构设计，或叶片表面彼此分开的区域可以有或许不同设计的槽。也就是说在叶片表面上不同位置处的槽例如可能在深度、宽度、形状或延伸方向方面是不同的。
第一表面凸起最好在叶根部分的区域内或位于下部区内，其中第一延伸角在0°与20°之间。
叶根部分最好有叶根表面，槽形结构经至少部分叶根表面延伸。此外，沿叶片轴线处于与叶根部分相对位置的叶冠部分最好有叶冠表面，槽形结构在至少部分叶冠表面上延伸，在这里尤其是第二表面凸起位于叶冠表面内。在叶冠部分表面上的槽形结构可以有与在叶片表面其他区域内的不同的延伸方向。恰恰在叶片的边缘区会产生横向流动，消减这种横向流对于提高效率具有重要意义。通过最好在叶根部分和/或叶冠部分上设有槽形结构，可以有针对性地消减在这些地区可能产生的横向流动。
相邻表面凸起的间距最好在0.01mm与10mm之间。此外，最好每两个相邻表面凸起包含一个槽底并构成一个槽，对每个槽所测得的从表面凸起之间的连线到槽底最低点的槽深在1μm与1mm之间。
下面借助于附图进一步说明本发明的实施例，附图中：
图1为一汽轮机的纵剖面图；
图2为一个具有槽形结构的叶片环的局部透视图；
图3为一汽轮机叶片侧视图；
图4为图3所示汽轮机叶片的横截面图；
图5为槽形结构的简示图；
图6为具有叶根部分的汽轮机叶片局部的侧视图。
在各附图中附图标记有相同的意义。
图1表示沿着从进汽侧1A到排汽侧1B的轴线4方向通过一台汽轮机1的纵剖面。图中只示出了相对于轴线4对称的一半。带有表面14B的转子14沿轴线4延伸并部分地被外壳15的内侧15A围绕。外壳15有一个横截面为圆形且垂直于轴线4定向的进汽通道16用于供入蒸汽。驱动汽轮机1的工作流是蒸汽13。进汽通道16通入一个环形的流动通道2中，后者沿轴线4从进汽侧1A延伸到排汽侧1B并以通道壁3为边界。通道壁3一方面由内壁3A组成，它通过转子14表面14B的一部分构成。通道壁3另一方面由外壁3B组成，它由外壳15内侧15A的一部分构成。内壁3A是一个与轴线4同轴的圆柱体，而外壁3B则构成一个与轴线4同轴的截锥体。后者从进汽侧1A到排汽侧1B逐渐展宽，所以流动通道2有一个沿轴线4逐渐增大的横截面积。流动通道2通入垂直于轴线4和垂直于进汽通道16的排汽通道18。一些叶片5沿流动通道2分别排列在有关的叶片环55内。每个叶片5沿叶片轴线57(见图3)定向。每个叶片5的叶片轴线57垂直于轴线4定向，在这种情况下每个叶片5的长度刚好使它沿流动通道2的全部高度延伸。叶片环55A、55B一方面设导向叶片5A，另一方面设工作叶片5B，沿轴线4交替地排列一个带导向叶片5A的叶片环55A和一个带工作叶片5B的叶片环55B。导向叶片5A固定在外壳15上。工作叶片5B与转子14连接。在带工作叶片5B的叶片环55B处，举例表示了一个工作叶片5B如何借助于锤头状固定部分56A与转子14上相应形状的槽14A相配合。
在这样一种汽轮机1运行时，其中作为工作流的蒸汽13经进汽通道16沿着一个局部有变化的主流方向60(见图4)通过流动通道2流动，并经排汽通道18重新从汽轮机1排出。在流动通道2中，蒸汽13通过导向叶片5A向工作叶片5B偏转。由蒸汽13施加在工作叶片5B上的力使转子14作旋转运动。也就是说，蒸汽13的动能转换成转子14的功能。转子14的旋转运动可例如用于在一台图中未示出的发电机内产生电能。在流动通道2内除了蒸汽13的主流方向60外，还可能产生横向于主流方向60的横向流动61(见图4)。这种横向流动61通常意味着蒸汽13的能量损失，它并不转化为转子14的机械能，因此其结果是降低了效率。这些横向流动61通过加工在通道壁3上的槽形结构6来消除，槽形结构在图1中没有表示，但在图2中详细说明。
图2中示意表示了带工作叶片5B的叶片环55B的一部分。工作叶片5B沿转子14圆周排列。每个工作叶片5B与转子连接。每个工作叶片5B具有一个叶身51。每个叶身51通过叶身轮廓52与转子14邻接。间隔面31位于每两个相邻工作叶片5B之间。它以沿绕叶片环55B流动的蒸汽13主流方向60的这两个工作叶片5B的叶身轮廓52为界。此间隔面31沿主流方向60经一个仅仅位于这两个工作叶片5B之间的区域向外延伸。每个工作叶片5B以其与转子14相反的那一端与外壳15的内侧15A邻接，但在这里工作叶片5B并未与外壳15接触，还留有一个间隙。一种适用的图中没有表示的密封装置，例如工作叶片5B与外壳15互相啮合的齿，基本上密封此间隙。带有表面凸起9的槽形结构6在每个间隔面31上延伸。每两个相邻的表面凸起包含一个槽底10和构成一个槽8。每个槽8有一个从表面凸起9到表面凸起9的距离W，以及有一个从两个表面凸起9之间连线到槽8的槽底10所测得的槽深h。但槽形结构6的槽8也可以根据流动状况有不同的宽度和高度，或者也可以有不同的形状。每个表面凸起9与离此表面凸起9最近的那个叶身轮廓52平行定向。这样一种槽形结构6沿主流方向60(见图4)导引工作流沿主流方向60(见图4)流过叶片环55B，并削弱可能发生的横向于此主流方向60的横向流动61(见图4)，例如涡流，这是由于增加了横向流动61的流动阻力。如前面已阐述的，这种削弱通常意味着提高效率。
图3表示工作叶片5B的侧视图。工作叶片5B沿叶片轴线57定向。沿叶片轴线57延伸有一个具有锤头状固定部分56A和横向于叶片轴线57的叶根板56B的叶根部分56、一个叶身51和一个叶冠部分54。在叶身51的表面加工有槽形结构6。在叶身表面51a上，槽形结构6在下部区41内延伸到与叶根部分56邻接，在上部区43内延伸到与叶冠部分54邻接。叶身表面51a的中部区42是光滑的。在叶片5被工作流11绕流时，只是在叶身51边缘区内的流动才有目的地受槽形结构6的影响。因为正是在这些边缘区可能产生横向流动，所以可以在这些边缘区内有目的地消减横向流动。
工作叶片5B借助于其固定部分56A插入槽14A内(见图1)。因此由许多结构相同的工作叶片5B构成了一个直接以它们各自的叶根部分56毗连的工作叶片5B叶片环55B。工作叶片5B的叶根板56B构成通道壁3的一部分。在叶根板56B上加工有槽形结构6。在图4所示通过工作叶片5B的横截面中可以清楚看出此槽形结构。在梯形的叶根板56B上延伸有带表面凸起9的槽形结构6。叶型横截面的外轮廓就是叶身轮廓52，表面凸起9随此叶身轮廓52的曲线走向。
图5示意表示了槽形结构6。在一个表面上直接毗连地排列横截面大体为U形的互相平行的槽8。槽8以表面凸起9为界，它们包含一个槽底10。在此例中从表面凸起9到相邻表面凸起9的距离W始终是相等的。从槽底10的最低点到相邻表面凸起9之间连线的高度h对于每个槽同样是相等的。槽形结构6平行于工作流11绕流的方向定向。除工作流11的主流方向11a外，可能产生横向流动11b。借助于横向定向的槽形结构6使横向流动11b受到更大的流动阻力并因而可以被消减，其结果是可以提高效率。
图6表示汽轮机叶片5的局部侧视图。在此实施形式中槽形结构6也布置在叶根部分56叶根表面的叶根过渡区44上。因此也可以通过叶根表面影响叶片的绕流。槽形结构6可以直接在加工叶片时制成，但它们也可以在事后补充加工形成。

Claims (19)

1.一种汽轮机(1)，其包括一个沿轴线(4)定向的流动通道(2)，该流动通道具有通道壁(3)和布置在流动通道(2)内的叶片(5)，其特征在于：该通道壁(3)至少局部有槽形结构(6)，槽形结构(6)有互相隔开间距的表面凸起(9)。
2.按照权利要求1所述的汽轮机(1)，其特征在于：每个叶片(5)排列在一个叶片环(55)内，作为通道壁(3)一部分的间隔面(31)处于在叶片环(55)内彼此相邻的两个叶片(5)之间，具有表面凸起(9)的槽形结构(6)在该间隔面(31)上延伸。
3.按照权利要求2所述的汽轮机(1)，其特征在于：每个叶片(5)具有一个叶身(51)，它有一个与间隔面(31)邻接的叶身轮廓(52)，每一个在间隔面(31)上延伸的表面凸起(9)与一个最近的叶身轮廓(52)匹配，该表面凸起(9)大体与叶身轮廓平行定向。
4.按照上述任一项权利要求所述的汽轮机(1)，其特征在于：叶片(5)的第一部分设计为工作叶片(5B)。
5.按照上述任一项权利要求所述的汽轮机(1)，其特征在于：叶片(5)的第二部分设计为导向叶片(5A)。
6.按照上述任一项权利要求所述的汽轮机(1)，其特征在于：一些叶片(5)分别有一个叶根部分(56)，叶片(5)借助于该叶根部分(56)插入转子(14)或外壳(15)上一个环形的对所有这些叶片(5)公共的槽(14A)内，这些叶片(5)通过它们的叶根部分(56)彼此相靠。
7.按照上述任一项权利要求所述的汽轮机(1)，其特征在于：其中一种叶片(5)与转子(14)或外壳(15)的一个仅为单个叶片(5)所设计的槽(14A)配合。
8.按照上述任一项权利要求所述的汽轮机(1)，其特征在于：一部分叶片(5)互相连接成一个联合体，该联合体尤其通过焊接这些叶片或通过由一整装工件腐蚀出这些叶片来形成；这些叶片(5)中每一个只有被破坏才能从此联合体拆出。
9.按照上述任一项权利要求所述的汽轮机(1)，其特征在于：相邻表面凸起(9)的距离(w)在0.01mm与10mm之间。
10.按照上述任一项权利要求所述的汽轮机(1)，其特征在于：每两个相邻的表面凸起(9)包含一个槽底(10)并构成一个槽(8)，对每个槽(8)所测得的从表面凸起(9)之间的连线到槽底(10)最低点的槽深(h)在1μm与1mm之间。
11.按照上述任一项权利要求所述的汽轮机(1)，其特征在于：每个叶片(5)有一个叶身(51)，一个槽形结构(6)至少局部地延伸在至少一个叶身(51)上。
12.一种汽轮机中沿叶片轴线(57)定向的叶片(5)，它具有一个叶片表面(49)和一个叶根部分(56)及一个与叶根部分(56)邻接的叶身(51)，叶根部分有用于固定在汽轮机内的固定部分(56A)，叶身有叶身表面(51A)并沿叶片轴线(57)依次包括下部区(41)、中部区(42)和上部区(43)，其特征在于：叶片表面(49)具有包括互相隔开间距的表面凸起(9)在内的槽形结构(6)，通过槽形结构可有目的地影响工作流(11)绕叶片表面(49)的流动，其中，槽形结构在下部区(41)和/或在上部区(43)内延伸，而中部区(42)是光滑的。
13.按照权利要求12所述的叶片(5)，其特征在于：每个表面凸起(9)与一个垂直于叶片轴线(57)的平面成一延伸角(α)地延伸，其中第一表面凸起(9a)有第一延伸角(α1)，第二表面凸起(9b)有第二延伸角(α2)。
14.按照权利要求13所述的叶片(5)，其特征在于：第一表面凸起(9a)位于叶根部分(56)的区域内或在下部区(41)内，以及第一延伸角(α1)在0°与20°之间。
15.按照权利要求13或14所述的叶片(5)，其特征在于：第二表面凸起(9b)位于上部区(43)内，其中第二延伸角(α2)在20°与60°之间。
16.按照权利要求12至15中任一项所述的叶片(5)，其特征在于：叶根部分(56)有一个叶根表面，槽形结构(6)在至少部分叶根表面上延伸。
17.按照权利要求12至16中任一项所述的叶片(5)，其特征在于：沿叶片轴线(57)与叶根部分(56)相对处设有叶冠部分(54)，它有叶冠表面，槽形结构(6)在至少部分叶冠表面上延伸，尤其第二表面凸起(9b)位于叶冠表面内。
18.按照权利要求12至17中任一项所述的叶片(5)，其特征在于：相邻表面凸起(9)的间距(w)在0.01mm与10mm之间。
19.按照权利要求12至18中任一项所述的叶片(5)，其特征在于：每两个相邻表面凸起(9)包含一个槽底(10)并构成一个槽(8)，对每个槽(8)所测得的从表面凸起(9)之间的连线到槽底(10)最低点的槽深在1μm与1mm之间。
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