CN1276169C - 透平机动叶片 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种透平机动叶片。当透平机动叶片前缘处的背侧表面部的切线和与透平机旋转轴相垂直的直线所构成的夹角被定义为θ，且静叶片的几何出口角度被定义为α_N时，则θ存在以下关系：α_N+2°＜θ＜α_N+12°。结果，透平机动叶片在前缘处和与前缘相邻部位中的背侧表面部的形状与静叶片尾流不再平行。因此，该透平机动叶片有助于提高透平机的效率，同时抑制流速中的不稳定急骤增加。

Description

透平机动叶片

本发明涉及一种透平机动叶片，特别涉及一种用于轴流冲击式透平机(anaxial flow impulse turbine)的透平机动叶片。

图5表示的是根据现有技术的轴流冲击式透平机的透平机动叶片连同透平机静叶片的结构图。如图所示，多个透平机动叶片1被设置在透平机叶轮(未示出)的圆周方向上，多个的静叶片2被安装在轴流冲击式透平机的机壳(未示出)上。静叶片2起到喷嘴的作用，以向透平机动叶片1提供高速、高压流体(例如蒸汽)。

对于在这种轴流冲击式透平机中流动速度的分析示出了一个重要现象的发生。就这种类型的透平机来说，传统的技术一直认为：以带状形式延伸的低流速区域，即所谓的静叶片尾流(wake)3(在图中的加点部分)在静叶片2的后缘2a的后方形成。而最近的发现是：在透平机旋转对每当透平机动叶片切过静叶片尾流3时，急骤加速流体的高速区域4(图中画有交叉影线的部分)就会在透平机动叶片1的背侧表面部1a上形成。形成这一区域的机理如下：静叶片的尾流3起到一个有效的“壁”的作用，阻碍了具有高流速的干流。结果，当由透平机动叶片1转动(转动运动的方向在图中用箭头A表示)而使透平机动叶片1靠近静叶片的尾流3时，在静叶片尾流3和透平机动叶片1之间有效地形成了一通道的喉口。结果，经过一定时间，就会在透平机动叶片1的背侧表面部1a上形成急骤加速流体的高速区域4。而静叶片尾流3是在每个静叶片2的后面形成，且对应于每个静叶片尾流3也都产生一个高速区域4。但是，在附图中仅显示了一个静叶片尾流3和一个高速区域4作为代表来说明。

当在逼近静叶片尾流3的一瞬间发生流体速度急骤增的上述非稳态高速区域4在透平机动叶片1的背侧表面部1a上形成时，在该处的透平损失是很大的。这是因为：如果有一堵墙堵在流体的通道上，则伴随着高速区域和低速区域流速的不同而产生磨擦，且流体的动能会由于这种磨擦而转变为热能，即会产生总的压头损失。这样透平机的效率就会下降。

本发明是在现有技术的基础上针对上述问题而完成的。本发明的目的就是提供一种透平机动叶片，该叶片能有助于提高透平机的效率，并抑制流速的非稳态急骤上升。

为了实现上述目标，本发明人对形成明显高速区域4的条件进行了研究，并获得了如下的发现：静叶片尾流3的形状仅仅是由静叶片2的形状决定的。另一方面，基于流体从静叶片2流出的出口角度、确保从透平机动叶片1的前缘1b到其后缘1d之间稳定的流速分布从而来确定透平机动叶片1的形状。据此，就可以大致确定进口角度和背侧表面部1a、腹侧表面部1c的大致形状。结果，就现有技术的透平机动叶片1来说，透平机动叶片1在前缘1b处的背侧表面部1a的形状就被加工成与静叶片尾流3相平行。这种平行于静叶片尾流3的透平机动叶片1的背侧表面部1a的形状可能是引起流速不稳定且流速急骤增加的主要原因。当背侧表面部1a被加工成平行于静叶片尾流3时，在静叶片尾流3和透平机动叶片1的背侧表面部1a之间显著地形成了一个通道喉口或狭口。

基于上述发现，本发明的特点可以通过下面1)到5)条予以说明：

1)多个透平机动叶片沿叶轮的圆周方向布置，透平机动叶片受到已离开作为固定叶片的静叶片的流体的作用，而将旋转力传递给叶轮，其中：

透平机动叶片在前缘和与前缘相邻的部分中的背侧表面部是被斜切的，以使其不与静叶片尾流相平行。

根据本发明的上述情况，在透平机动叶片前缘的背侧表面部的形状可以从静叶片尾流移开(displaced)。这样在透平机旋转中当透平机动叶片横切过静叶片尾流时，就可以使透平机动叶片前缘的背侧表面部与静叶片尾流之间形成的通道变宽。从而，在背侧表面部上的流速的不稳定增加就可以被抑制。因此，即使随透平机动叶片的运动而使透平机动叶片周期性横切过静叶片尾流时，也可以消除部分的流速的高速区域，减少此处的总压头损失，从而有利于提高透平机的效率。

2)在上面第1)条所描述的透平机动叶片中，当透平机动叶片前缘处的背侧表面部的切线和与透平机的旋转轴相垂直的直线所构成的夹角被定义为θ，且静叶片的几何出口角度被定义为α_N时，则θ存在以下关系：

α_N+2°＜θ＜α_N+12°

据此，不仅在第1)条中所描述的效果已经实现，而且也对θ角的上限值也予以限制。这样，诸如与静叶片出口角度相关的透平机动叶片入口角度等的几何关系也都能保证最佳。由此，透平机动叶片能够提高透平机的效率，而又不牺牲其它性能。

3)在上面第1)或2)条所描述的透平机动叶片中，当透平机动叶片的最大厚度被定义为T_max，且叶片宽度，即旋转透平机叶片前缘和后缘之间的距离，被定义为W，则T_max/W满足以下关系：

0.33＜T_max/W＜0.42

据此，不仅在第1)和第2条所描述的效果得以实现，而且透平机动叶片的叶片形状也是薄壁形的。这样，相邻的透平机动叶片之间的通道就变宽了。在此处的平均流速就可以下降。结果，在静叶片尾流和透平机动叶片的背侧表面部之间的高流速区域就可以进一步有效地去除，并进一步促进透平机效率的提高。

4)在上面第1)或2)条所描述的透平机动叶片中，当透平机动叶片前缘处的腹侧表面部的切线与背侧表面部的切线所构成的夹角被定义为β_inc时，则β_inc存在以下关系：

13°＜β_inc＜27°

据此，不仅在第1)和第2条中所描述的效果已被实现，而且在透平机动叶片的因静叶片尾流而使流速特别显著增加的前缘附近处叶片厚度很薄。这样相邻的透平机动叶片之间的通道变宽，则此处的平均流速下降。结果，在静叶片尾流和透平机动叶片的背侧表面部之间的高流速区域就可以进一步有效地被去除，并且能够进一步促进透平机效率的提高。

5)在上面第1)或2)条所描述的透平机动叶片中，当透平机动叶片的最大厚度被定义为T_max，且叶片宽度，即旋转透平机叶片前缘和后缘之间的距离，被定义为W，则T_max/W满足以下关系：

0.33＜T_max/W＜0.42，且：

当透平机动叶片前缘处的腹侧表面部的切线与其背侧表面部的切线所构成的夹角被定义为β_inc时，则β_inc满足以下关系：

13°＜β_inc＜27°

据此，在第1)或2)及3)和4)的方面中所描述的所有效果都已被实现。因此，透平机效率的提高十分显著。

通过下面结合附图的详细描述，可以使本发明得到更充分的理解。但上述说明仅为说明性的，并不对本发明构成限制。附图中：

图1A到图1C是有关本发明实施例的视图。其中，图1A是表示透平机动叶片的示意图，图1B概要示出了静叶片的几何出口角度的放大视图，图1C是示出透平机动叶片的前缘的局部视图；

图2是表示根据本发明实施例的两个透平机动叶片的形状(实线部分)示意图，与其相对比的是根据现有技术的两个透平机动叶片的形状(虚线部分)；

图3是表示根据本发明实施例的透平机动叶片的叶片表面流动速度分布特性(实线部分)的特性曲线图，而与其相对比的是根据现有技术的透平机动叶片的叶片流体速度分布特性(虚线部分)曲线；

图4表示的是具有根据本发明实施例的透平机动叶片的透平机温度效率(turbine temperature efficiency)特性曲线图(实线部分)，与其相对比的是具有根据现有技术的透平机动叶片的透平机的温度效率(虚线部分)曲线；

图5是根据现有技术的轴流冲击式透平机的透平机动叶片连同静叶片的示意图。

现在参照附图对本发明的实施例予以说明，但应该清楚的是本发明并不局限于此。

本实施例涉及一项发明，该发明是为与静叶片尾流相关的透平机动叶片的背侧表面部形状而专门设计开发的。问题是对应于静叶片的尾流的角度应该设定什么样的动叶片角度。为此，几何出口角度α_N定义为与静叶片的出口角度相对应的参数，且相对于这种几何出口角度α_N，具体确定优选的透平机动叶片形状。静叶片2与图5所示的现有技术中的完全一样。下面，将结合静叶片2与透平机动叶片来描述本实施例。

图1A到图1C是涉及本发明实施例的视图，其中，图1A是表示透平机动叶片的示意图，图1B是一个概要表示静叶片几何出口角度的放大视图，图1C是抽取的透平机动叶片的前缘部的局部视图。

在图1A中，附图标记11表示的是透平机动叶片，11a表示的是其背侧表面部，11b为前缘，11c为腹侧表面部，11d为后缘。多个这种透平机动叶片被安装在图5所示的对应位置上，即它们被安装在透平机叶轮(未示出)的圆周方向且与静叶片2相对。这样从静叶片2中流出的流体就会作用在透平机动叶片11上，并将旋转作用力传递给透平机叶轮。这时，由在透平机动叶片11的前缘11b的背侧表面部11a的切线L₁和与透平机旋转轴相垂直的直线L₂所构成的角度被定义为θ，且静叶片2的几何出口角度被定义为α_N，则θ被限定在由下述表达式(1)确定的范围内：

α_N+2°＜θ＜α_N+12°          (1)

更优选的是，θ是处于由下述表达式(2)所限定的范围内：

α_N+5°＜θ＜α_N+7°           (2)

这里，静叶片2的几何出口角度α_N由下面的方法来确定：如图1B所示，静叶片间距，即相邻的静叶片2之间的距离，被定义为C_N，且静叶片喉口宽度，即从相邻的静叶片2中的一个的后缘2a到另一个静叶片2的背侧表面部的距离，被定义为δ_N。这时，α_N则由方程α_N＝sin^-1(δ_N/C_N)给出，因为给定静叶片喉口宽度δ_N的直线和给定几何出口角度α_N的静叶片2的切线可以近似地看作是相互垂直的。

前面提到的对θ角的数量上的上限是在考虑如下因素而确定的：即当静叶片2的几何出口角度α_N确定了，则透平机动叶片11的前缘11b处的优选形状也就确定(与之相对应)。这个优选形状由θ’角与前面提到的θ角之和来给出，这里θ’角是透平机动叶片11的前缘11b处的腹侧表面部11c的切线L₃与垂直于透平机旋转轴的直线L₃所构成的夹角。这样，当θ角固定时，θ’角则在θ’与θ角的总和框架内进行确定。也就是说，该角度不会超出与该总和对应的范围。

通过如上所述地对θ进行的限制，位于透平机动叶片11前缘11b的背侧表面部11a的形状就可以从静叶片的尾流3(见图5，以下的说明也是如此)移开。换句话说，背侧表面部11a的形状和静叶片的尾流3就不再是平行的了，从而在透平机旋转过程中当透平机动叶片横切过静叶片尾流3时，使位于透平机动叶片11前缘11b的背侧表面部11a与静叶片的尾流3之间的通道能够变宽，进而使在背侧表面部上流速的非稳定增加受到抑制。

图2表示的是根据本发明上述的实施例的透平机动叶片11的形状(实线部分)示意图，与其相对比的是根据图5所示的现有技术的透平机动叶片1的形状(虚线部分)。参照附图将会看得很清楚，根据本实施例的透平机动叶片11采用的是通过将现有技术(见图5，后面的说明也是如此)的透平机动叶片1的靠近前缘1b的背侧表面部1a进行斜切(chamfering)后形成的形状。因此，背侧表面部11a的形状可以偏移开静叶片尾流的方向。顺便指出，对于根据现有技术的透平机动叶片1，形成的θ角几乎与静叶片2的几何出口角度α_N相同，至少θ角不超过(α_N+2°)。

由于前面对θ角的数字限制，透平机动叶片11的背侧表面部11a的形状就可以移开静叶片的尾流3，而不是平行于静叶片的尾流3。在本实施例中，还采用下面一些附加的数量上的限制：

如图1A所示，由双点划线表示的内切于透平机动叶片11的形状的圆的直径代表着相关位置处透平机动叶片11的厚度。当透平机动叶片11的最大厚度被定义为T_max，而叶片的宽度(即透平机动叶片11的前缘11b和后缘11d之间的距离)被定义为W，则T_max/W的比值应满足下列关系：0.33＜T_max/W＜0.42，优选的是0.34＜T_max/W＜0.38。因为这一条件要求，透平机动叶片11的叶片形状是薄壁的。这样，相邻透平机动叶片11之间的通道变宽，从而，该处的平均流速得以降低。顺便指出，根据现有技术的透平机动叶片1的T_max/W的比值大于0.42。

在本实施例中，还要进行下面的数量上的限制：如图1C所示，透平机动叶片11前缘11b的背侧表面部11a的切线L₄与其腹侧表面部11c的切线L₅所构成的夹角被定义为β_inc，则设置β_inc以满足下关系：13°＜β_inc＜27°。因为这一条件要求，透平机动叶片11在流速因静叶片尾流3而急骤增加的前缘11b附近处的叶片厚度变小，这样相邻的透平机动叶片11之间的通道变宽，从而在该处的平均流速得到降低。顺便指出，根据现有技术的透平机动叶片1的β_inc角大于27°。

确定T_max/W比值和β_inc角的下限以得到预定的叶片厚度，因为透平机动叶片11的叶片厚度是受一定条件约束的，该条件约束的目的是在透平机动叶片11的前缘11b到后缘11d的通道内形成平稳流速分布。

在带有根据本发明的上述本实施例的透平机动叶片11的透平机中，透平机动叶片11的背侧表面部11a的形状与静叶片的尾流3相互不是平行的。这样，在透平机动叶片11旋转的情况下，即使在透平机动叶片11横切过静叶片的尾流3时，也可以在静叶片的尾流3和透平机动叶片11之间确保相对较大的通道。从而，在该通道区域内不会形成流速急骤增加的高速区域4(见图5)。另外还对比值Tmax/W和β_inc角进行了优化，以降低相邻透平机动叶片11之间的平均流速。如此等等措施防止了高速区域4的形成。

图3示出了根据本发明实施例的透平机动叶片的叶片表面流体速度分布特性(实线部分)的特性曲线，而与其相对比的是根据现有技术的透平机动叶片的叶片流体速度分布特性(虚线部分)曲线。图4示出了具有根据上述实施例的透平机动叶片11的透平机的温度效率特性曲线(实线部分)，与其相对比的是带有根据现有技术的透平机动叶片的透平机的温度效率(虚线部分)曲线。参照图3，我们可以看出，在透平机动叶片11前缘11b附近的背侧表面部11a上流速明显下降。参照图4，无疑透平机效率在一个周期中的任何时刻上都提高了，且一个周期的平均效率明显增加。图4中的一个周期是：从一个透平机动叶片11横切静叶片尾流3的时刻起，直到下一个透平机动叶片11横切下一个静叶片尾流3的时刻为止的这一段时间。对图3和图4的详细说明如下：角θ＝21.9°，比值T_max/W＝0.38，角β_inc＝24.3°。

在上述的实施例中的透平机动叶片是作为冲击式透平机的动叶片进行描述的，但并非仅限于此。但是，对于具有较小的入口角度、并且带有其形状趋于与静叶片尾流相平行的背侧表面部的冲击式透平机，这种透平机动叶片是特别有效的。

尽管用前述的方法对本发明进行了说明，但应该清楚的是本发明并不局限于此，而是可以以许多其他方式进行改动。这些改动并不被认作是背离了本发明的精神和范围，这些改动对于本领域的一般技术人员来说都是显而易见的，并都将包括在所附的权利要求中。

Claims (5)

1.一种透平机动叶片，在透平机中有多个沿叶轮的圆周方向布置的透平机动叶片，该透平机动叶片受到已从作为固定叶片的静叶片离开的流体的作用而将旋转力传递到透平机叶轮上，其中：

透平机动叶片在前缘处以及与前缘相邻的部分中的背侧表面部的形状是被斜切的，从而不会与静叶片尾流相平行。

2.权利要求1所述的透平机动叶片，其特征在于，当在透平机动叶片前缘处背侧表面部的切线和与透平机旋转轴相垂直的直线所构成的夹角被定义为θ，而静叶片的几何出口角度被定义为α_N时，则θ存在以下关系：

α_N+2°＜θ＜α_N+12°

3.权利要求1或2所述的透平机动叶片，其特征在于：

当透平机动叶片的最大厚度被定义为T_max，且叶片宽度，亦即透平机动叶片前缘和后缘之间的距离，被定义为W，则T_max/W存在以下关系：

0.33＜T_max/W＜0.42

4.权利要求1或2所述的透平机动叶片，其特征在于：

当透平机动叶片前缘处的腹侧表面部的切线与背侧表面部的切线所构成的夹角被定义为β_inc时，则β_inc存在以下关系：

13°＜β_inc＜27°

5.权利要求1或2所述的透平机动叶片，其特征在于：

当透平机动叶片的最大厚度被定义为T_max，且叶片宽度，即透平机动叶片前缘和后缘之间的距离，被定义为W，则T_max/W存在以下关系：

0.33＜T_max/W＜0.42，和：

当透平机动叶片前缘处的腹侧表面部的切线与背侧表面部的切线所构成的夹角被定义为β_inc时，则β_inc存在以下关系：

13°＜β_inc＜27°。

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