專利名稱：軸流式渦輪機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種軸流式渦輪機(jī)，特別是這樣一種渦輪機(jī)，其具有分別由渦輪噴嘴單元和渦輪動葉片單元組合形成的多個渦輪級，并且能夠顯著提高渦輪級的級效率。
背景技術(shù)：
在應(yīng)用于發(fā)電廠等場合的蒸汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)等軸流式渦輪機(jī)中，近來人們非常重視它們的熱效率，特別是提高渦輪機(jī)的內(nèi)部效率，以實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性運轉(zhuǎn)。
目前有人正在研究將包含發(fā)生在渦輪葉片上的葉片輪廓損失和工作流體的二次流損失(二次損失)在內(nèi)的各項損失，特別是渦輪噴嘴單元和渦輪動葉片單元中的工作蒸汽或工作燃?xì)獾裙ぷ髁黧w的二次流所造成的二次流損失，抑制為盡可能低，以顯著提高渦輪機(jī)的內(nèi)部效率，這種研究已經(jīng)成為一項重要的研究課題。
圖10示出了通常適用于軸流式渦輪機(jī)中的一種渦輪噴嘴單元的結(jié)構(gòu)，該渦輪噴嘴單元被稱作“直葉片型”的。多個噴嘴葉片1(所謂的“靜葉片”)沿著渦輪軸(未示出)的圓周方向呈列狀設(shè)置在由外環(huán)2和內(nèi)環(huán)3限定的環(huán)形流路4中。
多個渦輪動葉片5沿圓周方向設(shè)置在噴嘴葉片1的下游側(cè)，從而對應(yīng)于噴嘴葉片1的列狀配置，如圖8所示。渦輪動葉片5沿周向嵌裝在轉(zhuǎn)子盤6中，并分別在它們的外周端設(shè)有葉冠7，用于防止工作蒸汽或工作燃?xì)?以下稱作工作流體主流，或簡稱為主流)泄漏。
下面參照圖10詳細(xì)描述具有前述結(jié)構(gòu)的軸流式渦輪中的工作流體產(chǎn)生于噴嘴葉片1上的二次流(以下僅稱作二次流)的機(jī)理，圖10是從噴嘴葉片1的出口側(cè)所作的渦輪噴嘴單元的透視圖。
工作流體主流流經(jīng)葉片之間的彎曲形狀的流路。在此階段，從噴嘴葉片1的背側(cè)(脊側(cè))B向著前側(cè)(腹側(cè))F產(chǎn)生離心力。離心力被靜壓力平衡，因此前側(cè)F的靜壓力增大。
另一方面，主流在背側(cè)B的流速較高，從而導(dǎo)致靜壓力低。著會導(dǎo)致在壓片之間的流路中從前側(cè)F向背側(cè)B產(chǎn)生壓力梯度。形成在外環(huán)2和內(nèi)環(huán)3的周壁面上的邊界區(qū)域中也會類似地出現(xiàn)壓力梯度。
然而，在葉片之間的流路的邊界區(qū)域中，流速低而離心力變小，結(jié)果導(dǎo)致因此不能維持對從前側(cè)F向背側(cè)B的壓力梯度的抵抗力，因此會產(chǎn)生從前側(cè)F指向背側(cè)B的工作流體二次流8。
二次流8沖撞在噴嘴葉片1的背側(cè)B上并轉(zhuǎn)而向上，從而在噴嘴葉片1與外環(huán)2和內(nèi)環(huán)3相連以便支撐噴嘴葉片1的連接部分處產(chǎn)生二次流渦旋9a、9b。
通過上述方式，在二次流渦旋9a、9b的擴(kuò)大或擴(kuò)散以及因二次流導(dǎo)致的壁面摩擦等影響的作用下，工作流主流所擁有的能量受到部分損失，從而構(gòu)成渦輪機(jī)內(nèi)部效率顯著下降的一個因素。通過與渦輪噴嘴單元中相同的方式，二次流損失也會出現(xiàn)在渦輪動葉片單元中。
現(xiàn)已公開了很多研究結(jié)果和提案，用以降低因產(chǎn)生在葉片之間的流路中的二次流渦旋9a、9b所造成的二次流損失。
作為示例，有一種渦輪噴嘴葉片被公開，其具有這樣的輪廓，即其喉部寬度(スロ一ト)-間距比s/t在葉片的高度方向中部最大，另一方面，喉部寬度-間距比s/t在葉根部分和葉尖部分減小，如圖9所示(見日本特開平6-272504號公報)，其中喉部寬度-間距比指的是喉部寬度s即前一噴嘴葉片1的后端邊緣與緊鄰所述前一噴嘴葉片1的另一噴嘴葉片1的背側(cè)B之間的最短距離與呈環(huán)形排列的各葉片1之間的間距t之間的比值。
同傳統(tǒng)應(yīng)用在蒸汽輪機(jī)等中并被稱作直葉片型(即葉片沿著穿過渦輪軸的中心且筆直徑向延伸的徑向直線設(shè)置)的渦輪噴嘴單元或渦輪動葉片單元相比，上述渦輪噴嘴單元具有下面所述的優(yōu)點。在所謂直葉片型渦輪噴嘴單元中，發(fā)生在葉片高度方向中部的損失較小，另一方面，發(fā)生在葉根部分和葉尖部分的損失相對較大，如圖5A所示。此外，在所謂直葉片型渦輪動葉片單元中，發(fā)生在葉片高度方向中部的損失較小，另一方面，發(fā)生在葉根部分和葉尖部分的損失相對較大，如圖5B所示。在下面的描述中，除非特別定義，否則“損失”即指工作流體的二次流損失。
相反，對于具有前述輪廓的渦輪噴嘴單元，即喉部寬度-間距比s/t在葉片高度方向中部最大，但在葉根部分和葉尖部分減小，如圖4A中的虛線所示，在損失較大的葉根部分和葉尖部分，主流的流率減小，另一方面，在損失較大的葉片高度方向中部，主流流率增大。因此，同所謂直葉片型渦輪噴嘴單元相比，發(fā)生在渦輪噴嘴單元的整個流路中的損失減小。
此外，對于具有前述輪廓的渦輪動葉片單元，即喉部寬度-間距比s/t在葉片高度方向中部最大，但在葉根部分和葉尖部分減小，如圖4B中的虛線所示，同所謂直葉片型渦輪動葉片單元相比，發(fā)生在渦輪動葉片單元的整個流路中的損失減小，這一點與前述渦輪噴嘴單元中的情況類似。
另外，有關(guān)其它研究結(jié)果，曾經(jīng)公開了一種被稱作復(fù)合偏斜型的渦輪噴嘴單元，其中噴嘴葉片1向著穿過渦輪軸中心的徑向直線(圖10中以附圖標(biāo)記E表示)彎曲(見日本特開平1-106903號公報)。
前述所謂復(fù)合偏斜型的渦輪噴嘴單元具有圖7A所示結(jié)構(gòu)，其中葉片的后端邊緣呈彎曲輪廓從葉尖部分和葉根部分向葉片高度方向中部突出，以產(chǎn)生分別從葉尖部分和葉根部分向外環(huán)2和內(nèi)環(huán)3施加的壓力。因此，前述所謂復(fù)合偏斜型的渦輪噴嘴單元可以在外環(huán)2和內(nèi)環(huán)3所形成的邊界區(qū)域中產(chǎn)生小的壓力梯度。
渦輪動葉片單元也可以具有圖7B所示的形狀，其中葉片的后端邊緣呈彎曲輪廓從葉尖部分和葉根部分向葉片高度方向中部突出，從而以類似于前述渦輪噴嘴單元的方式產(chǎn)生分別從葉尖部分和葉根部分向葉冠7和轉(zhuǎn)子盤6施加的壓力，從而可以在葉冠7和轉(zhuǎn)子盤6形成的邊界區(qū)域中產(chǎn)生小的壓力梯度(見日本特開平3-189303號公報)。
所謂復(fù)合偏斜型的渦輪噴嘴單元和渦輪動葉片單元具有這樣的輪廓，即可以獲得從葉尖部分向外環(huán)2施加的壓力和從葉根部分向內(nèi)環(huán)3施加的壓力，而且外環(huán)2和內(nèi)環(huán)3所形成的每個邊界區(qū)域中產(chǎn)生的壓力梯度保持較小，從而導(dǎo)致主流的流量較大。
然而，葉尖部分與外環(huán)2之間的連接部分和葉根部分與內(nèi)環(huán)3之間的連接部分是作為工作流體的二次流損失大的區(qū)域而原始存在的。因此，即使能夠?qū)е麓罅康墓ぷ髁黧w主流流動，但在進(jìn)一步提高性能方面仍存在限制。
考慮到這一事實，在通過將喉部寬度-間距比s/t在葉片高度方向中部增大以確保流路面積增大的渦輪噴嘴單元和渦輪動葉片單元中，可以使主流在葉片高度方向中部的區(qū)域中流過較大的量，在該區(qū)域中二次流損失較小。因此，可以相信，這種結(jié)構(gòu)可以被構(gòu)造成進(jìn)一步提高性能，以提供出各種優(yōu)點(見日本特開平8-109803號公報)。
然而，在具有上述輪廓的渦輪噴嘴單元和渦輪動葉片單元中，喉部寬度-間距比s/t在葉根部分和葉尖部分較小，由喉部寬度-間距比s/t計算出的幾何流出角α＝sin-1(s/t)也較小，而轉(zhuǎn)向角變大。
公知的是，如果軸流式渦輪機(jī)的渦輪噴嘴單元和渦輪動葉片單元大致上具有小幾何流出角或大轉(zhuǎn)向角的話，邊界區(qū)域會在葉片表面上擴(kuò)張，從而導(dǎo)致葉片輪廓損失增大。
在主流的流動方向在葉片間的流路內(nèi)顯著改變時，在葉片間的流路內(nèi)從前側(cè)F向背側(cè)B的壓力梯度會變大，二次流8也會變大。
此外，形成于葉根部分和葉尖部分附近的葉片表面邊界區(qū)域中的具有低能量的流體，以及形成于葉片之間的流路的周壁面上的邊界區(qū)域中的具有低能量的流體，是與二次流8一起流動的，因而構(gòu)成了二次流損失顯著增大的一項因素。
特別地講，葉根部分的小喉部寬度-間距比s/t使得環(huán)向間距t較小，并因此而導(dǎo)致喉部寬度s較小。由于從葉片的結(jié)構(gòu)上考慮需要將后端邊緣的厚度te保持在預(yù)定值，因此小的喉部寬度s導(dǎo)致后端邊緣的厚度te與喉部寬度s的比值te/s變大。結(jié)果，如圖11所示，葉片輪廓損失急劇增大。
作為最近的研究成果，其喉部寬度-間距比s/t在葉片高度方向中部增大的渦輪噴嘴單元和渦輪動葉片單元，以及所謂的所謂復(fù)合偏斜型的渦輪噴嘴單元和渦輪動葉片單元，分別具有前面描述的優(yōu)點和缺點。因此，可以相信，只將它們能夠帶來優(yōu)點的結(jié)構(gòu)相組合，以形成所謂的組合型葉片，可以進(jìn)一步提高渦輪級效率。
因此，考慮到上述問題，本發(fā)明的一個目的是提供一種軸流式渦輪機(jī)，其能夠控制渦輪噴嘴單元和渦輪動葉片單元的葉片間的流路中的主流在葉片高度方向上的流量分布，并且降低葉根部分的葉片輪廓損失和二次流損失，從而進(jìn)一步提高渦輪級效率。
發(fā)明內(nèi)容
為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一種軸流式渦輪機(jī)包括沿著渦輪軸的軸向布置的多個渦輪級，所述多個渦輪級中的每個分別包括一個渦輪噴嘴單元，其具有以預(yù)定間隔沿著由外環(huán)和內(nèi)環(huán)限定的環(huán)形流路的圓周方向呈列狀設(shè)置的噴嘴葉片，以及一個渦輪動葉片單元，其設(shè)置在渦輪噴嘴單元的下游側(cè)，并且具有沿著渦輪軸的圓周方向呈列狀嵌裝在渦輪軸上的動葉片，其中，所述噴嘴葉片具有下述形狀，即其喉部寬度-間距比s/t在葉片高度方向中部出現(xiàn)極大值，在位于葉片高度方向中部與葉根部分之間的一個位置上出現(xiàn)極小值，并向著葉根部分從該極小值開始增大，其中喉部寬度s是一個噴嘴葉片的后端邊緣與緊鄰該噴嘴葉片的另一噴嘴葉片的背側(cè)之間的最短距離，間距t是呈列狀設(shè)置的各噴嘴葉片之間的間距。
所述噴嘴葉片的所述喉部寬度-間距比s/t的極小值優(yōu)選為全部喉部寬度-間距比中的最小值。
所述噴嘴葉片的葉根部分處的由喉部寬度-間距比s/t計算出的幾何流出角α＝sin-1(s/t)優(yōu)選設(shè)置在由喉部寬度-間距比s/t的最小值計算出的幾何流出角的至少105％倍至115％倍的范圍內(nèi)。
所述噴嘴葉片的橫截面可以沿圓周方向向著流體流出側(cè)彎曲，以使葉片高度方向中部具有一個最突出部分。
所述噴嘴葉片可以在其后端邊緣的一個位置上向著與流體的流動方向相反的上游側(cè)或與流體的流動方向相同的下游側(cè)傾斜或彎曲。
所述噴嘴葉片可以具有下述橫截面，即葉片弦長在葉尖部分最大，在葉根部分最小。
另一方面，本發(fā)明的前述目的可以通過這樣一種軸流式渦輪機(jī)而實現(xiàn)，該軸流式渦輪機(jī)包括沿著渦輪軸的軸向布置的多個渦輪級，所述多個渦輪級中的每個分別包括一個渦輪噴嘴單元，其具有以預(yù)定間隔沿著由外環(huán)和內(nèi)環(huán)限定的環(huán)形流路的圓周方向呈列狀設(shè)置的噴嘴葉片，以及一個渦輪動葉片單元，其設(shè)置在渦輪噴嘴單元的下游側(cè)，并且具有沿著渦輪軸的圓周方向呈列狀嵌裝在渦輪軸上的動葉片，其中，所述動葉片具有下述形狀，即其喉部寬度-間距比s/t在葉片高度方向中部出現(xiàn)極大值，在位于葉片高度方向中部與葉根部分之間的一個位置上出現(xiàn)極小值，并向著葉根部分從該極小值開始增大，其中喉部寬度s是一個動葉片的后端邊緣與緊鄰該動葉片的另一動葉片的背側(cè)之間的最短距離，間距t是呈列狀設(shè)置的各動葉片之間的間距。
在本發(fā)明的這一方面，所述向著葉根部分從該極小值開始增大的喉部寬度-間距比s/t在葉根部分可以處達(dá)到全部喉部寬度-間距比中的最大值。
此外，所述動葉片的葉根部分處的由喉部寬度-間距比s/t計算出的幾何流出角α＝sin-1(s/t)可以設(shè)置在由喉部寬度-間距比s/t的最小值計算出的幾何流出角的至少105％倍至115％倍的范圍內(nèi)。
所述動葉片的橫截面可以沿圓周方向向著流體流出側(cè)彎曲，以使葉片高度方向中部具有一個最突出部分。
動葉片可以在其后端邊緣的一個位置上向著與流體的流動方向相反的上游側(cè)或與流體的流動方向相同的下游側(cè)傾斜或彎曲。
另一方面，本發(fā)明的前述目的可以通過這樣一種軸流式渦輪機(jī)而實現(xiàn)，該軸流式渦輪機(jī)包括沿著渦輪軸的軸向布置的多個渦輪級，所述多個渦輪級中的每個分別包括一個渦輪噴嘴單元，其具有以預(yù)定間隔沿著由外環(huán)和內(nèi)環(huán)限定的環(huán)形流路的圓周方向呈列狀設(shè)置的噴嘴葉片，以及一個渦輪動葉片單元，其設(shè)置在渦輪噴嘴單元的下游側(cè)，并且具有沿著渦輪軸的圓周方向呈列狀嵌裝在渦輪軸上的動葉片，其中，所述噴嘴葉片具有下述形狀，即其喉部寬度-間距比s/t在葉片高度方向中部出現(xiàn)極大值，在位于葉片高度方向中部與葉根部分之間的一個位置上出現(xiàn)極小值，并向著葉根部分從該極小值開始增大，其中喉部寬度s是一個噴嘴葉片的后端邊緣與緊鄰該噴嘴葉片的另一噴嘴葉片的背側(cè)之間的最短距離，間距t是呈列狀設(shè)置的各噴嘴葉片之間的間距；所述動葉片具有下述形狀，即其喉部寬度-間距比s/t在葉片高度方向中部出現(xiàn)極大值，在位于葉片高度方向中部與葉根部分之間的一個位置上出現(xiàn)極小值，并向著葉根部分從該極小值開始增大，其中喉部寬度s是一個動葉片的后端邊緣與緊鄰該動葉片的另一動葉片的背側(cè)之間的最短距離，間距t是呈列狀設(shè)置的各動葉片之間的間距。
圖1是應(yīng)用在根據(jù)本發(fā)明的軸流式渦輪機(jī)中的渦輪噴嘴單元從工作流體主流的出口側(cè)所作的透視圖。
圖2是應(yīng)用在根據(jù)本發(fā)明的軸流式渦輪機(jī)中的渦輪動葉片單元從工作流體主流的出口側(cè)所作的透視圖。
圖3是應(yīng)用在根據(jù)本發(fā)明的軸流式渦輪機(jī)中的渦輪噴嘴單元和渦輪動葉片單元的剖視圖，用以解釋它們的流動流路。
圖4是在現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明之間作比較的喉部寬度-間距比s/t分布圖，其中圖4A是渦輪噴嘴單元的喉部寬度-間距比s/t分布圖，圖4B是渦輪動葉片單元的喉部寬度-間距比s/t分布圖。
圖5是在現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明的損失之間作比較的損失分布圖，其中圖5A是渦輪噴嘴單元的損失分布圖，圖5B是渦輪動葉片單元的損失分布圖。
圖6示出了應(yīng)用在根據(jù)本發(fā)明的軸流式渦輪機(jī)中的渦輪噴嘴單元和渦輪動葉片單元的幾何流出角與損失變化量之間關(guān)系的損失變化量分布圖。
圖7示出了一種應(yīng)用在傳統(tǒng)軸流式渦輪機(jī)中的葉片從主流出口側(cè)所作的透視圖，其中圖7A是渦輪噴嘴的透視圖，圖7B是渦輪動葉片的透視圖。
圖8是用于說明流經(jīng)應(yīng)用在根據(jù)本發(fā)明的軸流式渦輪機(jī)中的渦輪噴嘴單元和渦輪動葉片單元的主流的流線的概念圖。
圖9示出了另一種應(yīng)用在傳統(tǒng)軸流式渦輪機(jī)中的葉片從主流出口側(cè)所作的透視圖。
圖10是用于說明流經(jīng)應(yīng)用在傳統(tǒng)軸流式渦輪機(jī)中的渦輪噴嘴單元的主流的流線的概念圖。
圖11是示出了應(yīng)用在傳統(tǒng)軸流式渦輪機(jī)中的渦輪噴嘴葉片的后端邊緣處的損失的損失分布圖。
圖12是設(shè)有噴嘴隔板的軸流式渦輪機(jī)中的各級的例子的概念圖。
具體實施例方式
下面參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明的軸流式渦輪機(jī)的實施例。蒸汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)可以作為下面描述的軸流式渦輪機(jī)，它們的一個例子顯示于圖12中。
具體地講，圖12中示出了設(shè)有噴嘴隔板的軸流式渦輪機(jī)100中的各渦輪級。在緊固于渦輪機(jī)殼101上的外環(huán)102和內(nèi)環(huán)103上，固定著噴嘴葉片104，以形成噴嘴葉片流路。多個渦輪動葉片106布置在相應(yīng)葉片流路的下游側(cè)。動葉片106以預(yù)定的間隔呈列狀嵌裝在一個轉(zhuǎn)子盤(輪)105的外周上。一個罩蓋107連接在動葉片106的外周邊緣上，以防止動葉片中的工作流體泄漏。
在圖12中，工作流體即蒸汽S從圖中所示的渦輪機(jī)的右側(cè)(即上游側(cè))流向左側(cè)(下游側(cè))。
圖1是應(yīng)用在根據(jù)本發(fā)明的軸流式渦輪機(jī)中的渦輪噴嘴單元從位于后端邊緣處的出口側(cè)所作的透視圖。在圖1中，多個噴嘴葉片1以預(yù)定間隔沿著由外環(huán)2和內(nèi)環(huán)3限定的環(huán)形流路4的圓周方向呈列狀設(shè)置，每個噴嘴葉片分別在其葉尖部分和葉根部分連接著外環(huán)2和內(nèi)環(huán)3，從而構(gòu)成一個渦輪噴嘴單元。
圖2是相對于工作液的流動方向布置在渦輪噴嘴單元下游側(cè)的動葉片5的透視圖。葉尖部分由葉冠7支撐著，葉片嵌接部(葉根部分)嵌裝在轉(zhuǎn)子盤6中。
圖3是噴嘴葉片1之間以及動葉片5之間的工作流體流路的剖視圖。喉部寬度-間距比s/t被用作一個參數(shù)，用來確定工作流體從噴嘴單元或動葉片單元的出口流出的流動方向和流量，其中喉部寬度s指的是前一噴嘴葉片1或動葉片5的后端邊緣與緊鄰所述前一噴嘴葉片1或動葉片5的另一噴嘴葉片1或動葉片5的背側(cè)之間的最短距離，即工作流體流路的最小流路寬度，環(huán)向間距(即呈列狀布置的葉片之間的間距)t等于渦輪軸(未示出)的圓周方向長度除以噴嘴葉片或動葉片數(shù)量所得的值。圖4A中的實線表示的是基于上述參數(shù)所作的噴嘴葉片1的喉部寬度-間距比s/t沿葉片高度的分布模式，圖4B中的實線表示的是基于上述參數(shù)所作的動葉片5的喉部寬度-間距比s/t沿葉片高度的分布模式。
在根據(jù)本發(fā)明的軸流式渦輪機(jī)中，渦輪噴嘴單元和渦輪動葉片單元的喉部寬度-間距比s/t在葉片高度方向中部出現(xiàn)極大值，如圖4A和4B中的實線所示，這一點與圖中虛線表示的傳統(tǒng)單元中的方式相同。
此外，在根據(jù)本發(fā)明的軸流式渦輪機(jī)中，渦輪噴嘴單元和渦輪動葉片單元的喉部寬度-間距比s/t在位于葉片高度方向中部與葉根部分之間的位置上出現(xiàn)極小值，而葉根部分的喉部寬度-間距比s/t大于虛線所示的傳統(tǒng)單元。
在根據(jù)本發(fā)明的軸流式渦輪機(jī)中，渦輪噴嘴單元的喉部寬度-間距比s/t的所述極小值被設(shè)置成沿葉片高度的全部喉部寬度-間距比中的最小值；在渦輪動葉片單元中，葉根部分的喉部寬度-間距比s/t被設(shè)置成沿葉片高度的全部喉部寬度-間距比中的最大值。
通過扭曲葉片或改變?nèi)~片的橫截面，可以容易地實現(xiàn)這樣的葉片輪廓，以使渦輪噴嘴單元和渦輪動葉片單元的喉部寬度-間距比s/t在葉片高度方向中部出現(xiàn)極大值，喉部寬度-間距比在位于葉片高度方向中部與葉根部分之間的位置上出現(xiàn)極小值，然后喉部寬度-間距比從該位置向著葉根部分逐漸加大。
一般而言，渦輪噴嘴單元和渦輪動葉片單元的損失分布會在葉片高度方向中部下降，并在葉根部分和葉尖部分升高，如圖5A、5B中的虛線所示。結(jié)果，在傳統(tǒng)渦輪噴嘴單元和渦輪動葉片單元中，一方面，工作流主流以大流量流經(jīng)工作流體二次流損失(即二次損失)較小的葉片高度方向中部，另一方面，以小流量流經(jīng)二次流損失較大的葉根部分和葉尖部分。
在本發(fā)明的這一實施例中，渦輪噴嘴單元和渦輪動葉片單元的喉部寬度-間距比s/t在葉片高度方向中部出現(xiàn)極大值，如圖4A和4B中的實線所示，喉部寬度-間距比s/t在位于葉片高度方向中部與葉根部分之間的位置上出現(xiàn)極小值，然后喉部寬度-間距比s/t在葉根部分增大，因此，一方面，工作流主流以大流量流經(jīng)二次流損失較小的葉片高度方向中部，另一方面，以小流量流經(jīng)二次流損失較大的位于葉片高度方向中部與葉根部分之間的部位，從而同傳統(tǒng)單元相比可以提高渦輪級效率。特別地講，喉部寬度-間距比在位于葉片高度方向中部與葉根部分之間的位置上出現(xiàn)極小值，然后從該位置向著葉根部分逐漸加大，從而可以降低二次流損失等損失，以進(jìn)一步提高渦輪級效率。
此外，根據(jù)本發(fā)明的這一實施例，葉根部分的幾何流出角α＝sin-1(s/t)增大而轉(zhuǎn)向角減小，因此同傳統(tǒng)單元相比可以顯著降低葉片輪廓損失和二次流損失。圖5A中示出了渦輪噴嘴單元的損失分布圖，圖5B中示出了渦輪動葉片單元的損失分布圖。
如圖6所示，根據(jù)分析結(jié)果，以(葉根部分的幾何流出角αroot-幾何流出角的最小值αmin)/(幾何流出角的最小值αmin)為基準(zhǔn)，通過將渦輪噴嘴單元和渦輪動葉片單元的葉根部分的幾何流出角α＝sin-1(s/t)限定在相對于其最小值的105％≤α≤115％的范圍內(nèi)，可以降低損失。
在本發(fā)明的這一實施例中，前面描述的喉部寬度-間距比s/t的分布模式，即喉部寬度-間距比s/t在葉片高度方向中部出現(xiàn)極大值，喉部寬度-間距比s/t在位于葉片高度方向中部與葉根部分之間的位置上出現(xiàn)極小值，然后喉部寬度-間距比s/t在葉根部分增大，可以應(yīng)用在圖7A、7B所示的復(fù)合偏斜型的渦輪噴嘴單元和渦輪動葉片單元中。這一點可以通過在渦輪噴嘴單元和渦輪動葉片單元的橫截面上對葉片實施扭曲而容易地實現(xiàn)。
在渦輪噴嘴單元和渦輪動葉片單元中，葉片高度方向中部的橫截面相對于徑向直線E向著圓周方向偏移，具體地講，葉片上存在一個最突出部分，該部分從噴嘴葉片1或動葉片5的高度方向中部向著毗鄰該葉片1或5的前側(cè)F設(shè)置的另一噴嘴葉片1或動葉片5的背側(cè)B突出，從而使得所述最突出部分向著主流在圓周方向上的流出側(cè)彎曲。該部分的偏移量(即突出量)是根據(jù)葉根部分和葉尖部分產(chǎn)生的二次流損失的大小來確定的。該偏移量的最適宜的值是，一方面，使噴嘴葉片1或動葉片5的葉片表面與徑向直線E之間的夾角在葉根部分為10°，另一方面，在葉尖部分為5°。如果偏移量(即突出量)超出了上述適宜值，則會導(dǎo)致流線急劇變化，從而產(chǎn)生不好的效果。
因此，葉片橫截面的偏移量(即突出量)的許用范圍被這樣設(shè)置，一方面，在從葉根部分指向葉片高度方向中部的區(qū)域內(nèi)為10°±5°，另一方面，在從葉尖部分指向葉片高度方向中部的區(qū)域內(nèi)為5°±5°。
通過在圖7A、7B所示的復(fù)合偏斜型的渦輪噴嘴單元和渦輪動葉片單元中采用前面描述的喉部寬度-間距比s/t的分布模式，以形成這樣的葉片輪廓，即喉部寬度-間距比s/t在葉片高度方向中部出現(xiàn)極大值，喉部寬度-間距比s/t在位于葉片高度方向中部與葉根部分之間的位置上出現(xiàn)極小值，然后喉部寬度-間距比s/t在葉根部分增大，可以產(chǎn)生下面的效果，即在首先流經(jīng)噴嘴葉片1之間然后流經(jīng)動葉片5之間的流線G1、G2、G3中，一方面，可以使流線G1流向葉根部分，另一方面，可以使流線G3流向葉尖部分，如圖8所示，從而導(dǎo)致工作流體的二次流以低流率出現(xiàn)。
或者，前面描述的喉部寬度-間距比s/t的分布模式，即喉部寬度-間距比s/t在葉片高度方向中部出現(xiàn)極大值，喉部寬度-間距比s/t在位于葉片高度方向中部與葉根部分之間的位置上出現(xiàn)極小值，然后喉部寬度-間距比s/t在葉根部分增大，也可以應(yīng)用在所謂的楔形葉片型渦輪噴嘴單元和渦輪動葉片單元中。
在所謂的楔形葉片型渦輪噴嘴單元中，從徑向直線E的方向看，葉片弦長C從葉根部分向著葉尖部分逐漸增大，如圖9所示，而葉片弦長C與環(huán)向間距t之間的比值是為了降低相應(yīng)葉片在葉片高度方向上的橫截面中的葉片輪廓損失而確定的。
通過在所謂的楔形葉片型渦輪噴嘴單元中采用前面描述的喉部寬度-間距比s/t的分布模式，以形成這樣的葉片輪廓，即喉部寬度-間距比s/t在葉片高度方向中部出現(xiàn)極大值，喉部寬度-間距比s/t在位于葉片高度方向中部與葉根部分之間的位置上出現(xiàn)極小值，然后喉部寬度-間距比s/t在葉根部分增大，可以確保抑制二次流的產(chǎn)生。
在本發(fā)明的實施例中，如果在渦輪噴嘴單元和渦輪動葉片單元中均采用前面描述的喉部寬度-間距比s/t的分布模式，以形成這樣的葉片輪廓，即喉部寬度-間距比s/t在葉片高度方向中部出現(xiàn)極大值，喉部寬度-間距比s/t在位于葉片高度方向中部與葉根部分之間的位置上出現(xiàn)極小值，然后喉部寬度-間距比s/t在葉根部分增大，則還可以使每個渦輪噴嘴葉片和渦輪動葉片的后端邊緣向著與主流的流動方向相反的上游側(cè)或與主流的流動方向相同的下游側(cè)傾斜或彎曲，從而確保抑制二次流的產(chǎn)生。
因此，如果在所謂復(fù)合偏斜型的渦輪噴嘴單元和渦輪動葉片單元或楔形葉片型的渦輪噴嘴單元和渦輪動葉片單元中采用采用前面描述的喉部寬度-間距比s/t的分布模式，以形成這樣的葉片輪廓，即喉部寬度-間距比s/t在葉片高度方向中部出現(xiàn)極大值，喉部寬度-間距比s/t在位于葉片高度方向中部與葉根部分之間的位置上出現(xiàn)極小值，然后喉部寬度-間距比s/t在葉根部分增大，從而構(gòu)成渦輪級，可以顯著降低渦輪噴嘴單元和渦輪動葉片單元的損失，并提供出更高的功率，從而提高渦輪級效率。
工業(yè)實用性根據(jù)本發(fā)明的軸流式渦輪機(jī)，可以在每個渦輪噴嘴單元和渦輪動葉片單元中分別采用前面描述的喉部寬度-間距比s/t的分布模式，以形成這樣的葉片輪廓，即喉部寬度-間距比s/t在葉片高度方向中部出現(xiàn)極大值，喉部寬度-間距比s/t在位于葉片高度方向中部與葉根部分之間的位置上出現(xiàn)極小值，然后喉部寬度-間距比s/t在葉根部分增大，從而構(gòu)成渦輪級。因此，可以使工作流主流以大流量流經(jīng)葉片高度方向中部，以提供出更高的功率，并且可以增大葉根部分的幾何流出角α＝sin-1(s/t)，以顯著降低葉片輪廓損失和二次流損失。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，可以顯著提高渦輪級的級效率，以增大每個渦輪級的功率。
權(quán)利要求
1.一種軸流式渦輪機(jī)，包括沿著渦輪軸的軸向布置的多個渦輪級，所述多個渦輪級中的每個分別包括一個渦輪噴嘴單元，其具有以預(yù)定間隔沿著由外環(huán)和內(nèi)環(huán)限定的環(huán)形流路的圓周方向呈列狀設(shè)置的噴嘴葉片，以及一個渦輪動葉片單元，其設(shè)置在渦輪噴嘴單元的下游側(cè)，并且具有沿著渦輪軸的圓周方向呈列狀嵌裝在渦輪軸上的動葉片，其中，所述噴嘴葉片具有下述形狀，即其喉部寬度一間距比s/t在葉片高度方向中部出現(xiàn)極大值，在位于葉片高度方向中部與葉根部分之間的一個位置上出現(xiàn)極小值，并向著葉根部分從該極小值開始增大，其中喉部寬度s是一個噴嘴葉片的后端邊緣與緊鄰該噴嘴葉片的另一噴嘴葉片的背側(cè)之間的最短距離，間距t是呈列狀設(shè)置的各噴嘴葉片之間的間距。
2.如權(quán)利要求1所述的軸流式渦輪機(jī)，其特征在于，所述噴嘴葉片的所述喉部寬度—間距比s/t的極小值是全部喉部寬度—間距比中的最小值。
3.如權(quán)利要求1所述的軸流式渦輪機(jī)，其特征在于，所述噴嘴葉片的葉根部分處的由喉部寬度—間距比s/t計算出的幾何流出角α＝sin-1(s/t)設(shè)置在由喉部寬度—間距比s/t的最小值計算出的幾何流出角的至少105％倍至115％倍的范圍內(nèi)。
4.如權(quán)利要求1所述的軸流式渦輪機(jī)，其特征在于，所述噴嘴葉片的橫截面沿圓周方向向著流體流出側(cè)彎曲，以使葉片高度方向中部具有一個最突出部分。
5.如權(quán)利要求1所述的軸流式渦輪機(jī)，其特征在于，所述噴嘴葉片在其后端邊緣的一個位置上向著與流體的流動方向相反的上游側(cè)或與流體的流動方向相同的下游側(cè)傾斜或彎曲。
6.如權(quán)利要求1所述的軸流式渦輪機(jī)，其特征在于，所述噴嘴葉片具有下述橫截面，即葉片弦長在葉尖部分最大，在葉根部分最小。
7.一種軸流式渦輪機(jī)，包括沿著渦輪軸的軸向布置的多個渦輪級，所述多個渦輪級中的每個分別包括一個渦輪噴嘴單元，其具有以預(yù)定間隔沿著由外環(huán)和內(nèi)環(huán)限定的環(huán)形流路的圓周方向呈列狀設(shè)置的噴嘴葉片，以及一個渦輪動葉片單元，其設(shè)置在渦輪噴嘴單元的下游側(cè)，并且具有沿著渦輪軸的圓周方向呈列狀嵌裝在渦輪軸上的動葉片，其中，所述動葉片具有下述形狀，即其喉部寬度—間距比s/t在葉片高度方向中部出現(xiàn)極大值，在位于葉片高度方向中部與葉根部分之間的一個位置上出現(xiàn)極小值，并向著葉根部分從該極小值開始增大，其中喉部寬度s是一個動葉片的后端邊緣與緊鄰該動葉片的另一動葉片的背側(cè)之間的最短距離，間距t是呈列狀設(shè)置的各動葉片之間的間距。
8.如權(quán)利要求7所述的軸流式渦輪機(jī)，其特征在于，所述向著葉根部分從該極小值開始增大的喉部寬度—間距比s/t在葉根部分處達(dá)到全部喉部寬度—間距比中的最大值。
9.如權(quán)利要求7所述的軸流式渦輪機(jī)，其特征在于，所述動葉片的葉根部分處的由喉部寬度—間距比s/t計算出的幾何流出角α＝sin-1(s/t)設(shè)置在由喉部寬度—間距比s/t的最小值計算出的幾何流出角的至少105％倍至115％倍的范圍內(nèi)。
10.如權(quán)利要求7所述的軸流式渦輪機(jī)，其特征在于，所述動葉片的橫截面沿圓周方向向著流體流出側(cè)彎曲，以使葉片高度方向中部具有一個最突出部分。
11.如權(quán)利要求7所述的軸流式渦輪機(jī)，其特征在于，所述動葉片在其后端邊緣的一個位置上向著與流體的流動方向相反的上游側(cè)或與流體的流動方向相同的下游側(cè)傾斜或彎曲。
12.一種軸流式渦輪機(jī)，包括沿著渦輪軸的軸向布置的多個渦輪級，所述多個渦輪級中的每個分別包括一個渦輪噴嘴單元，其具有以預(yù)定間隔沿著由外環(huán)和內(nèi)環(huán)限定的環(huán)形流路的圓周方向呈列狀設(shè)置的噴嘴葉片，以及一個渦輪動葉片單元，其設(shè)置在渦輪噴嘴單元的下游側(cè)，并且具有沿著渦輪軸的圓周方向呈列狀嵌裝在渦輪軸上的動葉片，其中，所述噴嘴葉片具有下述形狀，即其喉部寬度—間距比s/t在葉片高度方向中部出現(xiàn)極大值，在位于葉片高度方向中部與葉根部分之間的一個位置上出現(xiàn)極小值，并向著葉根部分從該極小值開始增大，其中喉部寬度s是一個噴嘴葉片的后端邊緣與緊鄰該噴嘴葉片的另一噴嘴葉片的背側(cè)之間的最短距離，間距t是呈列狀設(shè)置的各噴嘴葉片之間的間距；所述動葉片具有下述形狀，即其喉部寬度—間距比s/t在葉片高度方向中部出現(xiàn)極大值，在位于葉片高度方向中部與葉根部分之間的一個位置上出現(xiàn)極小值，并向著葉根部分從該極小值開始增大，其中喉部寬度s是一個動葉片的后端邊緣與緊鄰該動葉片的另一動葉片的背側(cè)之間的最短距離，間距t是呈列狀設(shè)置的各動葉片之間的間距。
全文摘要
一種軸流式渦輪機(jī)，其噴嘴葉片(1)和/或動葉片(5)具有下述形狀，即假定喉部寬度s是一個噴嘴葉片(動葉片)的后端邊緣與緊鄰它的另一噴嘴葉片(動葉片)的背側(cè)之間的最短距離，間距t是呈列狀設(shè)置的各噴嘴葉片(動葉片)之間的距離，則喉部寬度－間距比s/t在葉片高度方向中部出現(xiàn)極大值，在位于葉片高度方向中部與葉根部分之間的位置上出現(xiàn)極小值，并向著葉根部分從該極小值開始增大。利用這種結(jié)構(gòu)構(gòu)造的軸流式渦輪機(jī)，能夠控制渦輪噴嘴單元和/或渦輪動葉片單元的葉片間的流路中的工作流體在葉片高度方向上的流量分布，并且降低工作流體在葉根部分的葉片輪廓損失和二次流損失，從而進(jìn)一步提高渦輪級效率。
文檔編號F01D9/02GK1547642SQ02816768
公開日2004年11月17日 申請日期2002年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月31日
發(fā)明者富永純一, 川崎榮, 田沼唯士, 今井健一, 一, 士 申請人:株式會社東芝