CN1318732C - 涡轮机叶片和涡轮机 - Google Patents
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Abstract
除了前缘部分和尾缘部分之外的叶片抽吸侧表面的压力分布曲线在从前缘到最小压力点的区域内的两个阶段中降低。
Description
技术领域
本发明涉及用于蒸汽轮机、燃气轮机等的动叶片。
背景技术
通过消除涡轮机叶片中出现的叶片翼型(blade profile)损失和二次流损失可以节省能源并减少二氧化碳等的排放，从而增加涡轮级的内效率。
减少这样的一种涡轮机动叶片的损失的现有技术中已经公开，例如在JPA61-232302、JPA05-187202和JPA2000-345801中。
上述JPA61-232302公开了涉及用于喷射发动机或燃气轮机的涡轮级的一种叶片翼型，其具有所谓“前负荷”型速度分布(压力分布)，该叶片翼型为钝头型，以增大每一个叶片上的负荷，并作为减小空气动力损失的措施，速度分布的叶片抽吸侧最大速度点和叶片压力侧最小速度点位于SX/SO从0.2至0.3的范围内的一预定的位置上。其中的SX/SO为叶片表面沿着相应的叶片抽吸侧和叶片压力侧的叶片表面离开前缘滞点的距离SX与沿着相应的叶片抽吸侧和叶片压力侧表面从前缘滞点到尾缘的整个叶片表面长度SO之比。
上述JPA第05-187202号公开了一种亚音速涡轮机的叶片，该叶片翼型的尾缘部凹入，以抑制尾缘部的动量损失厚度。并减小叶片翼型损失。
上述JPA第2000-345801号公开了一种涡轮机动叶片，其内环侧为前负荷或中负荷型，而外环侧为后负荷型。
发明内容
一般来说，涡轮级可以根据叶根反作用度分为脉冲级和反作用级。一个涡轮级中的动叶片的热降(热函的变化)与总热降的比称为反作用度，脉冲级的叶根反作用度为0％，反作用级的叶根反作用度为50％。然而，很难以这种方式严格地划分实际的涡轮级。因此，在下面的描述中，叶根反作用度为5％至10％的涡轮级称为脉冲级，叶根反作用度几乎为50％的涡轮级称为反作用级，叶根反作用度大于10％而小于50％的称为低反作用型或低反作用级(后面称为“低反作用级”)。
当在叶根处的反作用度接近0％时，涡轮动叶片翼型的转向角就增加。结果，必须增大叶片抽吸侧的曲率。而且，在最大叶片负荷位于导边侧(前负荷)的叶片翼型中，从叶片抽吸侧速度分布的最大速度点(最小压力点)向尾缘延伸的减速流(反压梯度)区域变得相对较长。这使得边界层增大，增加了尾缘端部边界层厚度，这样就造成了摩擦损失。如果将这样的一个叶片级专门用于一个动叶片的一个脉冲级或一个低作用级，气(汽)流就不能跟上叶片抽吸侧的大曲率，这会导致气(汽)流被分开，并引起过多的损失。
而且，由于二次流是由叶片抽吸侧与叶片压力侧之间的压差导致的，所以，最大叶片负荷位置在导边侧上越靠外处，二次流涡流出现得就越早，这导致二次流损失的增大。
叶片的形状与涡轮级的反作用度有密切的关系。具体地，反作用度对叶片最大转向角(弯曲度)有很大的影响。使叶片翼型损失最小化的最佳叶片负荷分布形状取决于叶片最大转向角。通常公知的是，具有最大叶片负荷位于尾缘侧(后负荷)而不是前缘侧的叶片翼型损失较小，这是因为抽吸侧叶片表面的加速流动区域被加大，从而抑制了边界层的增长。进而，从二次流抑制方面看，采用最大叶片负荷位于尾缘侧的叶片减小了二次流的损失，这样，既可以降低叶片翼型损失，也可以降低二次流损失。
然而，在设计这样一种叶片翼型时，使损失减至最小的叶片表面压力分布、叶片负荷分布形状以及叶片负荷的划分率都是未知的。上述现有技术中并没有考虑这几点。具体地说，在蒸汽涡轮机的一脉冲级和一低反作用级中的动叶片根部的叶片翼型转向角大致设置为110度或更大。这约大于80度，即，反作用级中的动叶片的转向角。结果，不仅叶片翼型损失消失，而且二次流损失也消失，因为这是涡轮级损失中的主要损失。
鉴于上述内容，本发明的目的是提供一种涡轮机动叶片，其能够减小空气动力损失，例如叶片翼型损失和二次流损失。
为了实现上述目的，本发明提供一种由工作流体运行的涡轮机动叶片，其中的叶片翼型使得由动叶片抽吸侧表面压力限定的压力分布在从前缘到最小压力点的区域内的两阶段中降低。
附图说明
图1为示出本实施例的一涡轮机动叶片的一横截面的一简图。
图2是一本实施例的一涡轮级的一横截面图。
图3是按照本实施例的和一通常的实施例的叶片表面压力分布的示意图。
图4是根据本实施例的叶片的表面压力分布示意图。
图5是根据本实施例和一通常的实施例的叶片负荷分布示意图。
图6是根据本实施例的叶片的负荷分布示意图。
图7是本实施例的叶片的抽吸侧的曲率分布示意图。
图8是按照通常的实施例的涡轮级的Iso马赫数的轮廓图。
图9是本实施例的涡轮级的Iso马赫数的一轮廓图。
图10是本发明的涡轮机动叶片的一实施例。
具体实施方式
下面结合附图描述作为本发明的一实施例的一个涡轮机动叶片。按照本发明的一个涡轮机动叶片可用于蒸汽轮机、燃气轮机等等。在下面的描述中，将以用于蒸汽轮机的一涡轮机动叶片为例。
图1是本实施例的一涡轮机动叶片的一横截面图。图中示出一动叶片1、蒸汽2、支撑动叶片顶部的密封结构的固定部分3、一将动叶片固定于转子的盘4、一将蒸汽2引向动叶片1的静叶片(喷嘴)5、一夹持着静叶片的内边缘的内环6、一个将静叶片5的外边缘固定于一罩壳的外环7。在转子的圆周方向(旋转方向)上设置多个动叶片1。多个静叶片5设置在动叶片l的上游侧。动叶片1与静叶片5的这种组合称为一个“涡轮级”。在转子的轴向上设置若干涡轮级。在蒸汽轮机的每个部分中，动叶片1的高度越高，叶片就越位于蒸汽2流的下游。由静叶片5引导的蒸汽2通过动叶片1使转子旋转。一个位于转子端部的发电机(未示出)通过将旋转能量转变成电能来发电。
图2是本实施例的一涡轮级动叶片的一横截面图。图中示出一个位于一个相对于动叶片1翼型每个横截面上蒸汽2的最上游位置的前缘8、一个位于一动叶片1的叶片翼型每个横截面上蒸汽2的最下游位置的尾缘9、一前缘8上的中弧线的切线10、一个级轴线11(转子圆周方向线)、尾缘9上的一中弧线的切线12，图中Cax表示叶片轴向的弦。进而，叶片翼型的边界线可以通过多个设置在从前缘到尾缘上的一排中的圆形成的包络面绘出。中弧线是一条连接各圆心的线，也是叶片翼型的横截面的中心线。动叶片1从叶根到叶尖可以是扭曲的，也可以不是扭曲的。叶片翼型的横截面从叶根到叶尖可以是相同的，也可以是不同的。如果以β1表示切线10与叶片级轴线11之间的夹角(叶片入流角)，以β2表示切线12与叶片级轴线11之间的夹角(叶片出流角)，则转向角ε可以用如下等式表示ε＝108-(β1+β2)。
图3示出本实施例的静压分布与典型通常实施例的静压分布的曲线。垂直轴线表示叶片表面静压P除以入口总压力P0的值，水平轴线表示在叶片表面轴向上离开前缘的相应位置X的值，为了使该值以无量纲的形式提供，将该值除以叶片轴线弦长Cax。图中连续的线示出了本实施例中的叶片表面的静压分布，点划线示出通常的实施例的静压分布。在通常的实施例中，可以看出，最大的叶片负荷位于尾缘侧(后负荷型)。
虽然在图3中示出本实施例的叶片压力侧的静压分布与通常实施例中的一致，但实际上二者不必一致，本实施例主要是要看叶片抽吸侧的压力分布，这在很大程度上与叶片级性能有关。以连续线和断开线示出的封闭曲线都是在X/Cax＝0和/Cax＝1的点上出现拐点。在图中，大致在曲线的上侧示出叶片压力侧压力分布，大致在曲线的下侧示出叶片抽吸侧压力分布。表示叶片表面在轴向上的位置的Xo和Xn分别为通常的实施例中和本实施例中叶片抽吸侧压力分布的最低点。本实施例所描绘的压力分布的形状排除了一个区域，在该区域中，压力在前缘和尾缘附近迅速变化，使得出现一个入射角(偏离设计条件点等等)。
如图3所示，在通常的实施例中，叶片抽吸侧压力分布一致地朝最小压力点Xo下降。当最大叶片负荷位于尾缘侧时，最小压力点通常位于Xo/Cax＝0.7-0.8的一位置上。另一方面，在本实施例中，叶片翼型使得从前缘向最小压力点Xn的压力在两个阶段中降低，并且最小压力点Xn的位置比通常实施例中的最小压力点Xo更靠尾缘的外部。
下面参照图4详细地描述本实施例。图4是本实施例的叶片压力分布的一示意图。在本实施例中，如图所示，叶片抽吸侧压力分布可以划分出四个区域：A至D。首先从前缘向最低压力点Xn的压力降这方面看，存在着区域A和C，在这两个区域压力降低很大。在区域A与C之间有区域B，在该区域中存在着一个中等的压力梯度。这是两阶段压力降机制的原因。这就是说，在本实施例中，动叶片的叶片翼型使得第一阶段压力降出现在区域A，然后压力降梯度在区域B变得中等，第二阶段压力降出现在区域C。压力梯度的拐点位于区域B和C，即，即前缘侧有一个拐点Xi，在尾缘侧有一个拐点Xj。最后，区域D示出从最小压力点Xn到尾缘的反向压力梯度。
如图所示，一般说，叶片压力侧压力分布的形状使得压力与入口压力没有太大的差别，但迅速降低到尾缘附近出口压力的程度。因此，一个叶片上的大多数叶片负荷形成叶片抽吸侧的一个压力降。这就是说，这一压力降加速了涡轮机工作流体(例如空气或蒸汽)的速度。在通常的实施例中，叶片翼型使得工作流体从动叶片的前缘部分到最小压力点Xo一次加速。
另一方面，在本实施例中，叶片负荷划分成两个部分。气(汽)流首先在区域A中加速到一定程度，然后在区域B中压力降梯度为中等程度，这时，加速并不一次结束，但气(汽)流也不过分加速，然后，在区域C气流又向最小压力点Xn加速。如果用前缘一侧上的拐点Xi上处叶片抽吸侧与叶片压力侧之间的压差DP1与在最低压力点Xn处叶片抽吸侧与叶片压力侧之间的压差DP的比来表示叶片负荷划分率，则本实施例当DP1/DP＝0.55±0.05时最有效。
通过采用如上所述的压力分布，可以有效地抑制相对于具有较大转向角的叶片的横截面边界层的增长，(例如蒸汽轮机的脉冲级和低反作用级中的动叶片)。而且，本实施例还可以抑制二次流涡流的增长，这是由于叶片抽吸侧中心部位(那里马蹄形涡流相互碰撞)的压力大于通常的情况下的压力，在通常情况下压力在单阶段中降低(单一压力降)。
当区域B中的拐点Xi位于Xi/Cax＝0.4-0.45附近时本实施例最有效。而且，当最低压力点Xn位于Xn/Cax＝0.8-0.9附近，特别是0.9附近时本实施例最有效。进而，在图3和图4中，本实施例区域B中的压力梯度比在区域A和C中更适中，或者可以是平的。虽然如果区域B中的压力梯度是平的，边界层就有可能在附近增长，但是通过在区域B后的区域C中再降低压力，以加速工作流体的速度，就可以抑制边界层的增长。相应地，叶片级的性能没有受到影响。
进而，还可以通过使位于C处的尾缘上的拐点Xj接近最小压力点Xn，从而使刚好位于Xn前的压力梯度变得陡峭来抑制边界层的增长。由于在本实施例中的最小压力点位于尾缘上比通常实施例中的最小压力点Xo更靠外，所以，如图4所示，反压梯度在区域D很大，然而，由于从最小压力点到尾缘的距离很短，所以，对因分离等引起的边界层的增长没有很大的影响。
图5和6是从叶片负荷分布方面(通常的实施例)与本实施例的叶片比校的示意图。这些图分别对应于图3和4中示出的叶片表面压力分布。由于叶片负荷等于压力分布曲线的压力侧与抽吸侧之间的压差，所以，在大多数情况下，叶片负荷分布直接反应叶片抽吸侧的压力分布(分布形状变得倒置)。垂直轴线示出叶片负荷，水平轴线示出相应的叶片表面在轴向上离开前缘的位置X的值，该值被叶片轴向弦长Cax除，以提供无量纲值。在附图中，一条连续的线是本实施例的，而虚线是通常实施例的。在通常实施例中，图中示出最大叶片负荷位于尾缘侧。Xo和Xn分别为通常实施例和本实施例中的最大叶片负荷的位置。进而，在本实施例中的压力分布形状不包括一个区域。在该区域内，前缘和尾缘附近的压力迅速变化，提供了一个入射角(偏离设计点等)。
按照通常的实施例，叶片负荷分布朝最小叶片负荷位置Xo单调增加，当最大叶片负荷位于尾缘侧时，最小叶片负荷位置通常位于Xo/Cax＝0.7至0.8的一个位置上。相反，在本实施例中，叶片负荷在从前缘至最大叶片位置Xn的区域内划分成两部分，最大叶片负荷位于尾缘上比通常实施例中最大叶片负荷位置Xo更靠外处。
现在参照图6来描述本实施例的叶片负荷分布。如果以如图4所示的方式将叶片负荷分布划分成A至D四个区域，首先在从前缘至最大叶片负荷位置Xn的区域内，有区域A和D，在该区域内叶片负荷增加很大，在区域A与区域C之间，有叶片负荷缓慢增加的区域B。拐点位于区域B和C，即，分别是位于前缘侧的一个拐点Xi和位于尾缘侧的一个拐点Xj。
与参照图4的描述相同，在通常的实施例中，在一点上施加叶片负荷，以一次加速流体，而在本实施例中，叶片负荷划分成两部分。气(汽)流首先在区域A被加速的一定程度。然后在区域B受到控制，使得加速并不一次结束，也不使流体过分加速，最后，流体在朝向最大叶片负荷的位置Xn上被加速。在图6中，如果以前缘侧的拐点Xi处的叶片负荷率DP1与最大叶片负荷DP的比表示叶片负荷划分率，则本实施例在DP1/DP＝0.55±0.05时最有效。这样，可以获得与图4相同的作用。
与图4相似，当将叶片负荷划分成两部分的前缘侧拐点Xi位于Xi/Cax＝0.4至0.45附近时本实施例最有效。另外，当最大叶片负荷位置Xn位于Xn/Cax＝0.8至0.9附近特别是0.9附近时本实施例最有效。而且，在图5和6中，本实施例的区域B中的压力梯度比区域A和C中更缓和，或可以是平坦的。通过使区域C内的尾缘侧的拐点Xj接近最大叶片负荷位置Xn，从而造成叶片负荷梯度在刚好位于Xn前变得陡峭，可以抑制边界层的增长，从而使本实施例更有效。在本实施例中，正如参照图4所描述的，在区域D中的反压梯度的增大不会影响边界层。
接下来，使用表示叶片翼型形状的参数来描述图3至6所示的实施例。图7示出按照本实施例的叶片的抽吸侧形状的曲率。垂直轴线示出曲率半径的倒数，即，曲率，水平轴线示出相应的叶片表面位置X在轴向上离开前缘的值，该值被除以叶片的轴向弦长Cax。在本实施例中，叶片抽吸侧形状的曲率分布具有两个最大值X1和X3以及一个最小点X2。当曲率最大值X1和X3分别位于X1/Cax＝0.3至0.35和X3/Cax＝0.65至0.7时，本实施例最有效。而且，当曲率最小值X2位于X2/Cax＝0.55至0.6时，本实施例最有效。
图8和9分别示出基于按照通常的实施例和本实施例的蒸汽轮机的一级动叶片的二维湍流分析的Iso马赫数轮廓图。马赫数的增长为0.02。在本实施例中，抽吸侧叶片表面的最大马赫数位于Xn/Cax＝0.9处，最大叶片负荷位置比通常的实施例中更靠近尾缘侧的外部。在与速度边界层对应的区域中，轮廓线集中在Iso马赫数轮廓图中翼型边界(叶片表面)附近，集中的密度几乎等于速度边界层的集中密度。
在本实施例中，如图9所示，从叶片表面的最大马赫数位置向尾缘的边界层的增长受到了抑制，尾缘处的边界层厚度比通常实施例中的薄。在本实施例中，叶片翼型损失比通常的降低大约40％。而且，如图3所示，从叶片表面马赫数的最大点(抽吸侧的最小压力点)到尾缘的反向压力梯度较大，然而，如图9所示，既不会看到边界层的迅速的增长，也不会看到分离的作用。
图10示出了本实施例在涡轮机动叶片中的应用。垂直轴表示叶片高位置处直径D与叶根位置处直径Dr的比(D/Dr)。水平轴表示最大叶片负荷的位置。在本实施例中，相对于叶根部分附近，最大叶片负荷Xn位于Xn/Cax＝0.9附近，从叶根向叶尖，最大叶片负荷位置在前缘方向移动。D/Dr越大，抽吸侧叶片喉部位置离叶片翼型最高处(向上游侧移动)越近，这使得抽吸侧叶片喉部与尾缘之间的距离很长。由于在此区域边界层容易增长，所以，通过如本实施例所示，将最大叶片负荷位置设置在尾缘侧，可以加大叶片表面的加速区域，从而抑制边界层的增长。在本实施例中，最好使尖部叶片翼型的最大负荷位置Xn定位在Xn/Cax＝0.7至0.8处。
如图10所示，在本实施例中，从叶根到叶尖的整个涡轮机叶片部分的形成使得叶片负荷位于尾缘侧，特别是在叶根附近，考虑到二次流损失的减少，叶片负荷的位置在尾缘侧上更靠外处。在所述日本专利申请公开第2000-345801号中公开的一个涡轮机动叶片的形状使其内环侧为前负荷或中负荷型，外环侧为后负荷型，叶根附近负荷分布形状及叶高方向上负荷分布的形状与本实施例完全不同。
另外，在上述JP61-232302A中公开的现有技术中，如果分布曲线由一压力分布曲线代替，则压力分布曲线的叶片抽吸侧最小压力点与叶片压力侧最大压力点也位于SX/SO＝0.2-0.3范围内的预定位置。而且，如果由叶片负荷分布曲线(叶片负荷状表压力分布曲线的压力侧与抽吸侧之间的压差)表示，则现有技术为在相似的范围内具有最大叶片负荷的前负荷型。这个现有技术的叶片抽吸侧压力分布单调地减小到最小压力点，出了前缘附近外(马赫数分布中的单调增)。因此，最大叶片负荷的位置和叶片抽吸侧压力分布形状都与本实施例不同。
而且，在上述05-187202号中公开的现有技术中，马赫数首先从马赫数分布曲线中的叶片抽吸侧最大马赫数向尾缘大幅度地下降，然后，分布曲线变平坦，直到最后的值。如果分布曲线由叶片表面压力分布曲线代替，则叶片表面压力首先从叶片抽吸侧最小压力点向尾缘大幅度地增加，然后分布曲线变得平坦，直到最后值。叶片抽吸侧压力分布单调地减小到最小压力点，除了前缘附近(在马赫数分布中单调增)。
可以说，由压力侧与抽吸侧的叶片表面马赫数分布曲线围绕着的区域定性地表示叶片负荷。因此，在该现有技术中最大叶片负荷位于叶片弦长方向上大致60％处。虽然未示出叶片负荷分布的形状，但可以看出，叶片负荷分布单调地增加到最大叶片负荷位置，除了前缘附近。因此，在该通常的实施例中的最大叶片负荷的位置和叶片抽吸侧压力分布形状与本发明的本实施例不同。
对按照本发明的涡轮机动叶片进行的空气涡轮测试证明，与通常的叶片相比，涡轮级效率增加了大致0.3％。
在上述实施例中描述了一个用于蒸汽轮机的动叶片作为一个例子。除此之外，本实施例还适用于轴流式涡轮机的动叶片，例如燃气轮机的动叶片，也可以得到同样的结果。而且，上面的描述特别是针对具有最大转向角大致为110度或更大度数的蒸汽轮机的脉冲级和低反作用级中的动叶片的根部的，但本实施例的观念也适用于其它转向角，例如，在叶片高度方向上具有转向角为110度或更小度数的叶片。
此外，本实施例不仅对于从出口侧看尾缘线为线性叠加的涡轮机动叶片是有效的，而且对于称为弓形叶片或复合弯曲叶片(compound lean blade)的三维设计的动叶片也是有效的。
按照本发明的，可以提供一种空气动力损失(例如叶片翼型损失和二次流损失)小的涡轮机动叶片。
Claims (13)
1.一种由工作流体驱动并置于脉冲级或低反作用级中的涡轮机动叶片，其中，一个叶片翼型设成使由动叶片抽吸侧的叶片表面上的压力确定的压力分布曲线在从前缘到最小压力点的区域内在两个阶段中降低。
2.一种在尾缘侧上具有最大叶片负荷点并置于脉冲级或低反作用级中的涡轮机动叶片，其中，一个叶片翼型使得除前缘部分和尾缘部分外的动叶片抽吸侧的叶片表面的压力分布曲线在从前缘到最小压力点的区域内在两个阶段中降低。
3.一种由工作流体驱动并置于脉冲级或低反作用级中的涡轮机动叶片，其中，一个叶片翼型使得当压力分布曲线由动叶片抽吸侧的叶片表面上的压力限定时，该压力分布曲线具有压力从动叶片的前缘向第一压力点降低的第一区域、压力从所述第一压力点向第二压力点降低的或维持的第二区域以及压力从所述第二压力点向最小压力点降低的第三区域。
4.如权利要求1至3中任一项权利要求所述的涡轮机动叶片，其特征在于：所述压力分布曲线在从前缘到最小压力点的压力降低区域内具有两个拐点。
5.如权利要求3所述的涡轮机动叶片，其特征在于：所述压力分布曲线在从前缘到最小压力点的压力降低区域内具有第一和第二拐点，所述第一拐点位于所述第二区域内，所述第二拐点位于所述第三区域内。
6.如权利要求4所述的涡轮机动叶片，其特征在于：当最小压力点在叶片表面的轴向位置相对于前缘以Xn表示，叶片轴向弦长以Cax表示时，值Xn/Cax在0.8至0.9范围内，且当在所述拐点中前缘侧的拐点以Xi表示时，无量纲值Xi/Cax在0.4至0.45范围内。
7.如权利要求6所述的涡轮机动叶片，其特征在于：在所述前缘侧上的拐点处的叶片抽吸侧与压力侧之间的压差同所述最小压力点处的叶片抽吸侧与压力侧之间的压差的比在0.55±0.05范围内。
8.一种由工作流体驱动并置于脉冲级或低反作用级中的涡轮机动叶片，其中，当叶片负荷分布曲线由动叶片叶片表面上的每介位置的叶片负荷限定时，叶片翼型设成使叶片负荷在从前缘至最大叶片负荷位置的区域内在两个阶段中升高。
9.如权利要求1、2、3、5、8中任何一项权利要求所述的涡轮机动叶片，其特征在于：除了所述叶片的前缘部分与尾缘部分之外的抽吸侧的叶片表面的曲率分布曲线具有两个曲率最大值。
10.如权利要求4所述的涡轮机动叶片，其特征在于：除了所述叶片的前缘部分与尾缘部分之外的抽吸侧的叶片表面的曲率分布曲线具有两个曲率最大值。
11.如权利要求6所述的涡轮机动叶片，其特征在于：除了所述叶片的前缘部分与尾缘部分之外的抽吸侧的叶片表面的曲率分布曲线具有两个曲率最大值。
12.如权利要求7所述的涡轮机动叶片，其特征在于：除了所述叶片的前缘部分与尾缘部分之外的抽吸侧的叶片表面的曲率分布曲线具有两个曲率最大值。
13.一种涡轮机，其设置使得多个静止叶片和动叶片放置在转子的圆周方向上，所述静止叶片和所述置于脉冲级或低反作用级中的动叶片的级形成一个阶段，其中，所述动叶片的叶片翼型使得由所述动叶片抽吸侧的叶片表面压力限定的压力分布曲线在从前缘到最小压力点的区域内的两个阶段中降低。
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