專利名稱：渦輪葉片的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種渦輪葉片和一種安裝有該葉片的渦輪機。雖然本發明主要涉及蒸汽渦輪機，但也可以應用于其他渦輪機和壓縮機。本說明書中使用的術語″渦輪″包括，具有翼型葉片的這類機器。它主要指在渦輪機中的靜葉片，但又不局限于靜葉片。
渦輪效率具有重大的意義，特別是對于大型設備，增加百分之幾的效率能產生非常巨大的費用節省。因此，大量的金錢和努力不斷地投入葉片研究中，因為這是一個關鍵性的零件。
多年來，傳統的葉片一直是翼型截面，(靜)葉片在內和外端環之間徑向延伸，葉片呈棱柱形，即由一母線平行于自身移動并相交一翼型截面而形成。為了這種棱柱形葉片設計，靜和動葉片兩者相對各自葉片軸的方位都已標準化了，該方位由渦輪機軸線與翼型葉片壓力面上前緣及后緣圓的切線之間的交錯角確定。
對渦輪中棱柱形葉片性能的一種公知的改進為讓葉片″偏斜″，即讓葉片沿其根部在一周平面內，即在一與渦輪軸線垂直的截面內傾斜，這種″偏斜″使流量從根至頂部的葉片出口處產生變化。葉片在徑向的內和外端稱為根和頂部，盡管根和″頂部″兩者都終止在附
圖1中所示的支承環21和22的端壁上。
由于葉片的圓周間距(即節距)從根到頂部逐漸增加，喉部與吸力面相交的位置隨增大的半徑而向上游方向移動。由于吸力面的凸面曲率，導致出口角(相對切線方向)從根部大約13°增加至在頂部大約15°。這種情形示于圖6中。
葉片出口角α示于附圖3a和3b中，以Sin-1(喉部/節距)定義。
由這些圖中可以看出以下參數喉部是葉片通路的最小寬度。它通常從葉片后緣的壓力面伸出來，并且與相鄰葉片的吸力面垂直。
交錯角是渦輪軸線和與翼型截面的前緣及后緣圓相切的切線之間的角度。
葉片弦長是指葉片沿交錯角切線的整個葉片范圍長度。
基本棱柱形葉片設計的改進過去已經提出來了。例如，Hitachi Review，卷27，№.3，1978年中，提出了扭轉的和其他形式的葉片。在所謂″受控渦流噴嘴設計中″，描述了一種噴嘴(即靜葉片)，在其徑向高度的下半部，它與傳統的棱柱型葉片一致， 但在上半部，有逐漸變細的安裝角。安裝角是這樣一個角，在任一葉片高度，翼型截面在其自身平面內從棱柱形葉片的正常位置所轉動的角度。變細的安裝角表明翼型截面的轉動減小了喉部，因而減小了出口角，而變粗的安裝角表示轉動加大了喉部。早期這篇文章中的圖3表示從根到頂部葉片連續轉動時，安裝角隨著葉片高度增加而變小的情形。
盡管早期的研究對葉片設計和安裝角有很好的理解分析，但尚沒有發現任何一種試研究設計達到本發明提供的改進程度。
因此，本發明的一個目的是提供一種葉片設計，它顯著地提高了先有已知設計的性能。
依據本發明，作為設置在渦輪機工作流體的環形通道內相同的葉片環中的一個渦輪葉片，從其徑向里端根部至其徑向外端頂部，具有至少大致不變的翼型截面，并且在根和頂部之間大致上對稱地彎曲，使翼型葉片的壓力面在根和頂部之間在徑向呈凸形。
翼型截面在葉片根和頂部在其自身平面內相對中-高截面以優選的5°±2°的范圍轉動，更優選的角度范圍為5°±1°。
葉片的翼型截面在根和頂部之間最好位于一拋物曲線上。
葉片的后緣，從根至頂部，最好為直的，通過翼型截面繞其直后緣的轉動位移而使葉片壓力面在徑向產生凸曲率。
依據本發明的一個方面，在裝有如前所述的靜葉片的渦輪中，相鄰靜葉片之間的喉部對葉片間距之比，給出了葉片出口角的正弦，葉片根部出口角的優選范圍為7°至11°，更優選的范圍為8°至10°。
靜葉片在中-高截面的安裝角優選如下設置與根部出口角一起，使整個通道的喉部面積與具有相同交錯角的棱柱形葉片的渦輪機的通道面積相等。
在適于降低工作流體的流體密度的多級渦輪機中，葉片根部的口出角在渦輪各級中保持不變，而葉片徑向中-高處的翼型截面安裝角則要使每一級葉片保持予定的喉部面積。這個預定的喉部面積則是其他相似的傳統渦輪機在相應級處以棱柱形葉片提供的喉部面積。
依據本發明的一個特征，葉片和與其連接的端部元件整體成形并被切削加工，以便在葉片翼型面和端壁之間設置圓角。這些圓角在相鄰的葉片根部或頂部之間，其半徑優選在0.15至0.3倍相鄰片的根部或頂部喉部尺寸的范圍內。另一種可選擇的方法，是用一平均數值代替之，這種情形的優點是更易于加工，因為所有圓角都一樣，但缺點是效率獲益有所下降。這個平均值優選為在葉片根和頂部相鄰葉片之間喉部尺寸的平均值。圓角半徑更優選的范圍為0.2至0.25倍所用喉部尺寸，特別優選的約為該數值的0.23倍。
下面以實施例的方式，并參照附圖，對依據本發明的一種渦輪葉片以及安裝在蒸汽渦輪機中的渦輪葉片進行描述，其中，圖1是一蒸汽渦輪軸向剖面圖，表示一傳統的″渦輪盤和隔板″高/中壓蒸汽渦輪級，其包括了一靜葉片組件。
圖2是位于靜葉片隔板中兩個這種傳統葉片的透視圖；圖3a是圖2中葉片的徑向示意圖；圖3b是表示靜葉片出口角的圖；圖4是依據本發明的一靜葉片的透視圖；表面上所示的格網圖形在實際上不出現，只是為了強調葉片曲面的形成；圖5是為傳統的棱柱形葉片和依據本發明的葉片而作的葉片截面安裝角相對葉片截面從根到頂部的高度的曲線圖；圖6是葉片出口角對截面高度的曲線圖，仍是這兩種類型的葉片的；圖7是兩葉片之間喉部通道的部分截面圖，表示出了在兩葉片和端部元件之間形成的圓角；圖8表示帶有傳統圓角的葉片后緣和帶有″流線形″圓角的葉片后緣。
現在參看附圖，圖1表示出了一種傳統的″渦輪盤和隔板″高/中壓力蒸汽渦輪級的軸截面示意圖。工作流體，蒸汽，的流動方向F大致與渦輪機轉子軸線A平行。轉子10的每一級有一圓盤11，其上固定著一組或一排動葉片12，其在圓周成一排并且以一定間隔分開，葉片12在其徑向外端裝有排氣管套13。按F的方向從渦輪機前端流向后端的蒸汽中的能量在轉子12中轉變成機械能。對于每一級，靜葉片組件位于一組動葉片12前并且固定在渦輪機內殼20上。靜葉片組件包括一徑向內環21，一徑向外環22，和在圓周成一排并有一定間隔的靜葉片23，每個葉片23內端處固定在內環21上，外端固定在外環22上，每個葉片有一前緣24，其對著汽流并具有一后緣25。帶有內和外環21、22的葉片組件23稱作隔板。如圖1所示的渦輪盤和隔板屬于如下的類型其內和外環21、22之間垂直于渦輪機軸A的面積在靜葉片后緣25處大于葉片前緣24處的。另外，在圖1所示的實例中，葉片23固定于其上的環(或端部元件)21、22的表面，即端壁為一截頭圓錐形，按方向F從渦輪軸A由葉片23的前緣24向后緣擴散。
現在參看圖2，所示為圖1中那種類型的靜葉片組件的局部后示圖。圖2所示靜葉片23屬于傳統的棱柱式，也就是，它們每一個都是直的，即被設計成葉片理論上的翼型截面，每個都被認為垂直于渦輪軸的徑向，從葉片里端至葉片外端具有相同的形狀，從葉片根至頂端沒有被扭轉，沿著前緣24和后緣25疊放在一起，每個都在一直線上。每個葉片23有一凹壓力邊26和一凸吸力邊27。
參看圖3a，它表示，在徑向視圖中，靜葉片23和29對渦輪軸A和橫截面(即垂直面或圓周平面)T的方向，T平面包含了靜葉片環，而軸線A與之垂直。葉片翼型截面以一后緣小圓15和一前緣大圓17為基礎。與這兩個圓相切的切線19與軸向A成一角度ψ交錯角。
若從葉片23的吸力面27引一條垂線與相鄰葉片29的壓力面26相交，并取其最短的線段，這就是喉部尺寸t，它產生在葉片29的后緣25的區域。這個尺寸t與靜葉片的節距P的比給出了所謂出口角α的正弦值，可以看出，這個角大致為每一葉片相對橫截面T的出口角。
圖4表示依據本發明的原理成形的一種葉片。它有一與傳統的棱柱形葉片相同的直后緣25，但葉片的其余部分，特別是前緣24，不是直的，而是以下述方式彎曲葉片的壓力面在根和頂部之間沿徑向呈凸形，也就是，在葉片之間與總的蒸汽流向垂直的平面內呈凸形。在圖4中表示出了這樣的平面31，在壓力面26上的該面的凸曲率不明顯而與前緣24處的相一致。
這一曲率在圖5中更具體地以圖4中葉片從根部35至頂部37的各翼型截面33的安裝角的變化來表示。單個的翼型截面33可以看成是在其自身平面內繞后緣25按安裝角轉動，在徑向高度的中部該角是正值，在根和頂部為負值。朝壓力面26轉動為″正″，朝吸力面為″負″。
對于圖5的特例，大約在徑向高度約1/5和4/5處的安裝角為0，該處的翼型截面具有相同的交錯角，即，相對渦輪軸方向一致，如同傳統的棱柱形葉片在其他傳統的渦輪機中那樣。″傳統的″交錯角理論值為48.5°。
安裝角從根和頂部的負2.5°變化至徑高中心處的正2.5°。在傳統的即參照例中，交錯角是48.5°，這是一種優選的方案。不過，如果只是在一較小的限度內，對于安裝角5°范圍的偏差值，仍會產生效率上的好處。可以預想到，對于5°范圍的±2°偏差仍然是有益的，即，安裝角差的范圍從根部/頂部與中心高處之間的3°至根部/頂部與中心高處之間的7°。但優選把偏差限制在±1°，即范圍從4°到6°。
葉片在全高的安裝角變動優選為一拋物線形，如圖5所示。
翼型截面繞除了后緣25之外的軸，例如前緣24或其他中間的軸線斜扭，在某種程度上可以接受。不過，選擇后緣作為轉動軸有若干好處。這能保持在靜葉片與下游的動葉片之間臨界面間隙恒定。這一間隙對動葉片不穩定的氣動力有重大影響，同時由于端壁上邊界層的增加而影響級效率。其次，加大前緣的曲率，會導致在葉片前緣區域產生″復合偏斜″效應，產生二次流。這些二次流含有與主流平行的渦流，后者在相鄰靜葉片之間的端壁附近。通過使用本發明的這種復合彎曲葉片，在整個內(即下)半高葉片內，壓力面徑向朝內，而整個外半高葉片內壓力面徑向朝外。作用在流體的物體力被在端壁上較高的靜壓力抵消。這使端壁附近的流速降低，從而減小了磨擦損失。
下面參看圖6，它表示出口角α與葉片截面徑向高度(圖4中33)之間的關系。
在傳統的棱柱形的情形中，出口角幾乎線性地增加，從葉片根部的大約13°增加至頂部的大約15°。這種開口的增加只是由于葉片節距隨半徑的增加而增加。在安裝有本實施例的、并且具有圖5的安裝角曲線規定的形狀的靜葉片的渦輪機級中，出口角從根部的約9.6°變動至中-高處的約15.6°，在頂部又回到12°。這種不對稱性可相似地從葉片節距隨半徑的增加而增加中導出來，因為喉部隨葉片節距的增加而向上游方向移動(在吸力面上)，并且因為喉部增加比葉片節距增加快，因此也比半徑增加快。在頂部和根部之間出口角的差別不受在該頂和根部的安裝角的影響。
本發明彎曲葉片的效果在于減少流過根和頂部端壁附近高損失區的流量，而增大經過效率更高的中-高處區域的流量。
本申請人所知最好的棱柱形設計為8°的直的負偏斜，即，其中靜葉片在橫截面內，相對經過根部的半徑以8°的方向朝吸力面偏斜。以這一″最好″的傳統設計相比，本發明的彎曲葉片，在一個二級空氣渦輪中測試時，顯示出0.8％的效率增益。
能夠想得出，不僅在靜葉柵，而且在下游的動葉柵中也能提高效益，因為減少了流入高第二次損失的端壁區的流量。
當本發明的概念適用于在全高壓或中壓的汽缸中的連續級中時，在葉片高度隨蒸汽密度減小而增加的場合，要使用以下技術(a)根部葉片截面的出口角在各級間保持在約9°。
(b)頂部的安裝角與根部的相同，即，葉片相對于中-高是對稱的；(c)在中-高截面處的安裝角的選擇要使平均喉部(葉片全高的)與在同一級中的棱柱形的保持相等。這能使級反力與相應的傳統設計保持在同一等級。
(d)采用安裝角在整個葉片高度范圍內以拋物線分布作為基設計。
可以看出，對于多級來說，葉片的形式只是簡單地依照該級葉片的高度而徑向伸延。
雖然本發明已經就低反力渦輪盤和隔板型蒸汽渦輪機中應用″短高″HP/IP靜葉片作了描述，但它可以應用到其它類型的軸流渦輪機和壓縮機上，和動葉片上以及靜葉片上。
本發明的另一個特征涉及靜葉片在其端部元件之間的結構。葉片與其端部元件成組地整體地機加工或鑄造，端部件的截面為環21和環22(圖1和圖2)。然后機加工葉片單元使之具有必須的精確尺寸和表面光潔度。
圖7是兩靜葉片間喉部通道部分的橫截面圖。已經發現在端部元件21和22之間的圓角半徑對級效率有很大影響。已經發現最適宜的圓角半徑范圍為喉部尺寸的0.15至0.3倍，這個范圍的優選部分為0.2于0.5，特別是0.23。
很顯然，因為在頂部的喉部不同于在根部的喉部(由于節距隨半徑而增加)，最適宜的圓角半徑在外端部元件處的會不同于在內端部元件處的。于是，優選的最適宜的半徑值為γ圓角，根部＝0.233×孔根部γ圓角，頂部＝0.233×孔頂部不過，在加工過程中，兩個不同的半徑值要求使用不同的切削刀具，可以折中地只使用一個半徑值，該值為上述數值的平均值，即 在兩級空氣渦輪機中使用上述″平均″圓角半徑連同所述的″可控流″葉片設計，測試表明，與最好的傳統設計的棱柱形靜葉片(設置-5°的直的″偏斜″后緣)相比，級效率增益約為1.2％。
為了減小阻塞影響，把葉片后緣下游方向的圓角″流線化″也有益處。這種情形示于圖8，其中，圖8a表示在后緣25與端壁21之間帶有傳統圓角的后緣25的后視圖，圖8b表示同一視圖，但帶有″流線化的圓角。圖8b的局部側視圖示于圖8c中，其中，可以清楚地看出，圓角在其最下游點從后緣消失為0。
權利要求
1.一種渦輪葉片，用于作為設置于渦輪工作流體環形通道內的相同葉片環之一，它具有從其在徑向內端處的根部(35)到其在徑向外端處的頂部(37)至少大體不變的翼型橫截面，并且葉片在根和頂部之間實質上對稱地彎曲，從而使翼型葉片的壓力面(26)在根和頂部之間在徑向呈凸形。
2.依據權利要求1的渦輪葉片，其中，在葉片根和頂部的翼型截面(33)在其自身平面內相對中高處截面轉動一范圍在5°±2°的角度。
3.依據權利要求2的渦輪葉片，其中，上述翼型截面(33)在其自身平面內相對-高處截面轉動的角度范圍為5°±1°。
4.依據前述任一權利要求的渦輪葉片，其中，在根(35)和頂(37)部之間的翼型截面(33)位于一拋物曲線上。
5.依據前述任一權利要求的渦輪葉片，其中，葉片的后緣(25)從根(35)至頂(37)部之間是直的，在半徑方向葉片壓力面(26)的凸曲率通過翼型截面(33)繞直后緣的轉動位移而獲得。
6.一種渦輪機，包括至少具有一級渦輪，該級渦輪具有依據權利要求1至5中任一項所述的渦輪葉片。
7.一種蒸汽渦輪機，包括至少一級渦輪，其中，靜葉片是依據權利要求1至5中任一項的葉片。
8.一種包含了至少一級的渦輪機，其中，靜葉片是依據權利要求1至5中任一項的葉片。
9.依據權利要求8的一種渦輪機，其中相鄰靜葉片之間的喉部(t)對葉片的節距(p)之比給出了葉片的出口角(α)的正統值，在葉片根部(37)的出口角范圍為7°至11°。
10.依據權利要求9的渦輪機，其中，上述出口角(α)的范圍為8°至10°。
11.依據權利要求9或10的渦輪機，其中，靜葉片的中-高截面的安裝角如下設置它與根部出口角(α)一起，使整個通道的喉部面積與具有相同交錯角的棱柱形葉片的渦輪機的相等。
12.依據權利要求6至11中任一項的渦輪機，它具有適應工作流體的流體密度降低的多級，其中，在葉片根部(35)的安裝角在渦輪各級之間保持不變，而在葉片中-高處的葉片翼型截面(33)的安裝角則使每一級葉片保持予定的喉部面積。
13.依據權利要求12的渦輪機，其中，上述預定的喉部面積是另外的傳統的渦輪機在相應級處以棱柱形葉片提供的喉部面積。
14.一種實質上以附圖4和5所描述的渦輪葉片。
15.一種蒸汽渦輪機，它包括實質上各附圖所描述的靜葉片級。
16.一種渦輪機，包括一安裝在內和外端部元件(21，22)之間翼型葉片環，在相鄰葉片之間的工作流體通道被上述端部元件形成的端壁在橫截面內被封閉，其中，葉片和與其連接的端部元件整體成形并被機加工，在葉片翼型表面(26，27)和端壁(21，22)之間有圓角，上述圓角的半徑范圍為0.15至0.3倍相鄰葉片間喉部尺寸。
17.依據權利要求6至13中的任一項的渦輪機，其中，上述渦輪葉片安裝在內和外端部元件(21，22)之間，相鄰葉片之間的工作流體通道被上述端部元件形成的端壁在橫截面內被封閉，葉片與其連接的端部元件整體成形并被機加工，在葉片翼型表面(26，27)和端壁(21，22)之間設有圓角，上述圓角的半徑范圍為0.15至0.3倍相鄰葉片間喉部尺寸。
18.依據權利要求16或17的渦輪機，其中，上述圓角的半徑范圍為在葉片根(35)和頂部(37)處所取的相鄰葉片間喉部尺寸的平均值的0.15至0.3倍。
19.依據權利要求16或17的渦輪機，其中，上述圓角的半徑范圍為分別在葉片根部(35)或者頂部(37)處所取的相鄰葉片間喉部尺寸的0.15至0.3倍。
20.依據權利要求18或19的渦輪機，其中，圓角半徑的放大因子在0.2至0.25的范圍內。
21.依據權利要求18或19所述的渦輪機，其中圓角的放大因子近似為0.23。
22.依據權利要求16至21中任一項的渦輪機，其中，上述圓角向上述葉片相應的后緣的后方伸延，這個區域的圓角是凹面形的，并且消失于上述相應后緣下游某點的其各自的端壁內。
全文摘要
本發明特別涉及在軸流蒸汽渦輪中的靜葉片的設計。傳統的葉片具有翼型橫截面的棱形形狀，并在兩環形端部元件(21，22)之間徑向伸延。本發明的葉片在徑(高)向彎曲，在其壓力面(26)從根(35)至頂(37)呈凸形。因此，對于相應的棱柱形葉片的安裝角在根和頂部變細，在中一高處變粗。因之，在根和頂處的喉部減小，在中一高處增加，從而把部分流量從兩個損失端壁區移走。這使級效率極大地提高。在葉片根和頂部處的其與端壁之間設置一最佳內圓角會進一步提高效率。
文檔編號F01D5/14GK1126796SQ9511639
公開日1996年7月17日 申請日期1995年8月30日 優先權日1994年8月30日
發明者B·霍勒, D·M·霍爾, V·J·安德魯斯 申請人:Gec阿爾斯特霍姆有限公司