用于流体机械的叶栅和带有这种叶栅的流体机械

摘要

本发明涉及一种用于流体机械——特别地用于蒸汽涡轮机——的优化的叶栅，其包括多个成型叶片，特别地为成型动叶片(1)，所述成型动叶片(1)包括吸力侧(SS)、压力侧(DS)、骨线(Sk)以及叶片前缘和叶片后缘之间的弦长(s)，其具有根据权利要求的不同的几何商。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于流体机械的叶栅，特别地用于蒸汽涡轮机，其包括多个成型(profiliert)叶片，特别地为成型动叶片(Laufschaufel)，所述成型动叶片包括吸力侧、压力侧、骨线(Skelettlinie)、叶片前缘以及叶片后缘，本发明还涉及一种带有这种叶栅的流体机械。

背景技术

在流体机械(例如蒸汽涡轮机)中，特别地，可压缩的流体(例如蒸汽)被转向而通过一个或多个叶栅并从而在叶栅上施加力。如果该叶栅是活动的，该流体驱动该动叶栅并从而做功。为了使流体转向，特别地在下游的动叶片上方也可以设有固定的所谓导引叶栅。

对于现今的叶栅，特别地对于蒸汽涡轮机的动叶片，在流动通道中(该流动通道在叶片的压力侧和沿圆周方向相邻的叶片的吸力侧之间被限定)发生显著的流体加速，该流体的静压相应在转向的叶栅后面明显更小，从而该流体在流动通道中膨胀。

现在使用的叶片安装角，即叶片前缘和叶片后缘处的切线与圆周方向包夹的角度，在64°至72°之间的范围中。这里叶片前缘和叶片后缘之间的弦长达到63mm，而分隔比例，即相邻的叶片的吸力侧平行于轴线方向的切线之间的沿圆周方向的距离与弦长的商达到0.85至1.1之间的范围。为此，理想的叶片前缘的入流至圆周方向的入流角度根据使用范围在37°和47°之间，而叶片后缘的出流角度在21°和29°之间的范围中，其与入流角度显著不同。

这种已知的叶栅不是最理想的。

发明内容

本发明的目的是，改进用于流体机械的叶栅。

该目的通过具有权利要求1、5或6的特征的叶栅实现。权利要求10保护带有这种叶栅的流体机械，从属权利要求涉及有利的进一步构造。

用于流体机械(例如蒸气涡轮机或燃气涡轮机、增压器等等)的叶栅具有多个成型叶片，所述成型叶片包括吸力侧、压力侧、骨线和弦长，该成型叶片沿圆周方向彼此相邻布置。

方向描述如“圆周方向”、“半径方向”和“轴线方向”在本领域中参考流体机械的转子。一般以骨线或(剖面)中线(或拱线)来称呼优选地沿轴线方向和/或半径方向弯曲的线，其与吸力侧和压力侧具有相同的距离，即在截面中正好在压力侧和吸力侧之间。叶片的剖面轮廓关于它的骨线对称。换而言之，骨线是在剖面中作出的圆心的连线。吸力侧或压力侧是通过动叶片截面的两个沿圆周方向间隔开的外表面限定的，该动叶片截面垂直于半径方向。

该叶栅可以例如作为动叶栅形成蒸汽涡轮机的一级。在这种情况中，吸力侧和压力侧优选地沿涡轮转子的旋转方向凸出而弯曲，其中吸力侧沿旋转方向位于压力侧前方，从而通过涡轮而流动的流体使叶栅并因此使承载该叶栅的涡轮转子沿旋转方向转动以做功，例如驱动与涡轮转子耦合的发电机。

叶片的弦，特别地它的前缘圆(Voderkantenkreis)和后缘圆(Hinterkantenkreis)处的切线，可以相对轴线方向倾斜。只要未另外给出，高度描述和距离描述参考双切线系统，其一条轴线平行于叶片的弦，而其另一条轴线与叶片前缘相切，从而例如高度在截面中定义为与弦的距离。弦长相应描述沿通过流体机械而流动的流体的流动方向的上游的叶片前缘和下游的叶片后缘之间沿着弦的距离。

本发明的基础是认识到当完全确定的叶片高度、叶片圆和/或叶片曲率与弦长的比例在一定的、预设的范围中时，叶栅能够被改进。当一个或多个叶片高度、一个或多个叶片圆或一个或多个叶片曲率——参考弦长——位于下面给出的范围内时，就得到有利的叶栅。当一个或多个叶片高度和叶片圆、一个或多个叶片高度和叶片曲率、一个或多个叶片圆和叶片曲率以及特别地一个或多个叶片高度、叶片圆和叶片曲率在该范围中时，能够实现特别有利的叶栅。

这里对叶片高度、叶片圆或叶片曲率的描述在下面始终参考至少一个垂直于半径方向的截面。如果叶片的压力侧和吸力侧平行于半径方向而延伸，则每个叶片截面通过在半径方向上位于内部的叶片根部处的截面的纯平移移位而沿半径方向发展，该说明相应地对所有截面有效。同样，压力侧和/或吸力侧可以也沿半径方向弯曲，那么其中在至少一个截面中(例如在叶片根部、在叶片顶部和/或在沿半径方向的叶片中部的截面)，一个或多个叶片高度、叶片圆和/或叶片曲率——参考弦长——应位于下面给出的范围内。

相应地，根据本发明的第一方面提出，吸力侧在截面中具有最大高度，该最大高度与弦长的商在0.52至0.56之间的范围中——特别地在0.53和0.55之间。附加地或备选地，压力侧在截面中具有最大高度，该最大高度与弦长的商在0.18至0.22之间的范围中——特别地在0.19至0.21之间。附加地或备选地提出，骨线在截面中具有最大高度，该最大高度与弦长的商在0.35至0.39之间的范围中——特别地在0.36至0.38之间。有利地，吸力侧、压力侧和骨线中的至少两个的最大高度相应地在给出的范围中，特别优选地，吸力侧、压力侧和骨线的最大高度都相应地在给出的范围中。

这里，作为高度，如前面阐述的，在截面中，特别地指侧面或骨线与骨线的轴线方向的起点和终点之间的连接线段的最短的距离，尤其是与前缘圆和后缘圆的切线的距离。

优选地，吸力侧在0.39至0.43之间的范围中达到它的最大高度——特别地在0.40和0.42之间——在叶片的双切线系统中从叶片前缘测量并参考弦长。换而言之，在根据本发明的叶片的截面中，最大的延伸长度优选地在大约0.40至0.42倍弦长处——从叶片轮廓沿轴线方向的最前端的点沿弦测量。

按相应的方式，压力侧优选地在0.50至0.54之间的范围中达到它的最大高度——特别地在0.51至0.53之间——在叶片的双切线系统中从叶片前缘测量并参考弦长。骨线优选地在0.41至0.45之间的范围中占有它的最大高度——特别地在0.42至0.44之间——在叶片的双切线系统中从叶片前缘测量并参考弦长。

根据本发明的第二方面，附加或备选于前述第一方面提出，在吸力侧和压力侧之间绘出的最大圆，参考弦长，具有在0.33至0.36之间的范围中的直径——特别地在0.34至0.36之间，并且/或者具有在0.36至0.40之间的范围中的中心距离(在叶片的双切线系统中从叶片前缘测量)——特别地在0.37至0.39之间，并且/或者具有在0.34至0.38之间的范围中的截面高度(从弦测量)——特别地在0.35至0.37之间，还提出前缘圆(参考弦长)具有在0.024至0.046之间的范围中的直径——特别地在0.025至0.045之间，并且/或者提出，后缘圆(参考弦长)具有在0.099至0.021之间的范围中的直径——特别地在0.01至0.02之间。

在压力侧和吸力侧之间可以绘制圆，其圆心位于骨线上，并且其内接于压力侧或吸力侧。该圆中最大的一个形成所绘出的最大圆。前缘圆或后缘圆优选地将叶片的前缘或后缘限定成叶片轮廓在压力侧和吸力侧的过渡部分具有相应于前缘圆或后缘圆的半径的曲率半径。

根据本发明的第三方面，附加或备选于前述第一和/或第二方面提出，吸力侧在0.1倍弦长的距离处(在叶片的双切线系统中从叶片前缘测量)具有与弦长的商在0.38至0.42之间的范围中的曲率半径——特别地在0.39至0.41之间，并且/或者在0.75倍弦长的轴线方向的距离处具有与弦长的商在0.82至0.86之间的范围中的曲率半径——特别地在0.83至0.85之间，并且/或者压力侧在0.15倍弦长的轴线方向距离处(在叶片的双切线系统中从叶片前缘测量)具有与弦长的商在0.73至0.77之间的范围中的曲率半径——特别地在0.74至0.76之间，并且/或者在0.80倍弦长的轴线方向距离处具有与弦长的商在0.54至0.58之间的范围中的曲率半径——特别地在0.55至0.57之间。

有利地，对于根据第一、第二和/或第三方面的叶栅，介质基本只被转向而不被明显地加速，从而在叶栅前面和后面的压力只有很少的减小。有利地，也可以沿压力侧和吸力侧获得分离较少的边界层流动和/或更大的流动转向，即使得从流体传递到叶栅上的冲击增大。从而能够提高流动格栅的效率，特别地对于常常仅部分加载的蒸汽涡轮机控制级(Regelstufe)，转向能够有利地起作用而没有显著的压力降低。另一优点是，根据本发明的叶栅可更容易地制造，特别地可以铣削而没有碍事的移位过程(Umsetzvorgang)。

优选地，弦或叶片前缘和后缘的切线与圆周方向包夹成所谓叶片安装角，该叶片安装角在73°至83°之间的范围中——特别地在74°至82°之间，这相比传统的叶片安装角同样有利地影响效率。

优选地，对于根据本发明的叶栅，沿圆周方向相邻的叶片的吸力侧的平行于轴线方向的切线的距离与弦长的分隔比例在0.70至0.79之间的范围中——特别地在0.71至0.78之间。如果剖面的圆周延伸长度小于分隔，则不需要菱形的根部形状(Fuβform)或平台(Plattform)，这在加工中，特别在待维持的(vorzuhaltend)工具和材料库存(Bestand)方面是有利的。

通过小的分隔比例，对于相同的弦长(优选地最高为70mm，特别地最高为63mm)可以有更高的叶片数量，这不仅有利地改善了强度，而且由于改善的强度也允许更高的质量流。在本发明的一个实施形式中，叶片数量对于相同的弦长来说能够提高大约20％。

有利地，对于根据本发明的流体机械能够实现更陡峭(steil)的叶片前缘的入流至轴线方向的来流角度或入流角度其特别地可以在26°至36°之间的范围中——优选地在27°至37°之间。有利地，带更大的涡流的流动因此能够在叶片安装前被处理。利用根据本发明的叶栅能够特别地降低前缘区域中的压力峰值。

附图说明

进一步的优点和特征由从属权利要求和实施例给出。其中(部分示意性地显示)：

图1显示了根据本发明的一个实施形式的叶栅的动叶片的透视图；

图2显示了垂直于半径方向的截面II-II中的根据图1的动叶片，其包括双切线系统中的特征叶片高度和特征叶片圆；

图3显示了根据图1的动叶片相应于图2的视图，其包括特征叶片曲率；而

图4显示了根据图1的叶栅的两个沿圆周方向相邻的动叶片的相应的截面图。

具体实施方式

图1显示了根据本发明的实施形式的叶栅的成型动叶片1，其带有三叶式插脚。为了定向而绘有半径方向r、圆周方向U和轴线方向a。

图2显示了动叶片垂直于半径方向r的截面II-II(比较图1)，其包括双切线系统中的特征叶片高度和特征叶片圆，该双切线系统的轴线与轴线方向或圆周方向相应地包夹成下面将进一步阐述的叶片安装角β_s。这里双切线系统的第一轴线(在图2中从左至右)——下面的尺寸描述参考该双切线系统——平行于动叶片1的弦5，即相切于前缘圆和后缘圆3，4，第二轴线(在图2中从下至上)相切于前缘。其它未示出的动叶片在它的大小上是一样的。

动叶片1具有沿旋转方向靠前的吸力侧SS(在图1的上方)，沿旋转方向靠后的压力侧DS和骨线Sk，该骨线Sk在每个点与吸力侧和压力侧具有相同的距离，即在截面中正好位于压力侧和吸力侧中间。

叶片前缘和叶片后缘之间的弦5的弦长为60mm。因为下面所述的有利的叶片圆、叶片高度和叶片弯曲根据本发明具有与该弦长预先确定的比例，所以该弦长在图2和图中3标准化为“1”。

吸力侧SS在截面中具有从弦5起的最大高度f_SS，在双切线系统中测量，其与弦长s的商f_SS/s为0.54。压力侧DS在截面中具有最大高度f_DS，其与弦长s的商f_DS/s为0.20。骨线Sk在截面中具有最大高度f_sk，其与弦长s的商f_sk/s为0.37：

f_SS/s＝0.54，

f_Sk/s＝0.37，

f_DS/s＝0.20。

吸力侧SS在位置X_fSS具有它的最大高度f_SS，该位置X_fSS参考弦长s为0.41——沿弦5在双切线系统中(在图2中从左至右)从叶片前缘起测量。换而言之，比例X_fSS/s为0.41。压力侧DS在轴线方向位置X_fDS达到它的最大高度f_DS，轴线方向位置X_FDS参考弦长s为0.52。骨线Sk在轴线方向位置X_fSk具有它的最大高度f_Sk，该位置X_fSk参考弦长s为0.43。

X_fSS/s＝0.41，

X_fSk/s＝0.43，

X_fDS/s＝0.52。

在吸力侧和压力侧之间绘出的最大圆2具有(再次参考弦长s)0.35的直径D_max/s，它的圆心从叶片前缘沿弦5在双切线系统中具有0.38的距离X_Dmax/s，具有从弦5起的0.36的高度f_xDmax。前缘圆3具有(参考弦长s)0.035的直径D_e/s，后缘圆4具有0.015的直径D_a/s：

D_max/s＝0.35；X_Dmax/s＝0.38；f_xDmax/s＝0.36，

D_e/s＝0.035，

D_a/s＝0.015。

如图3所示，吸力侧SS在沿轴线方向0.1倍弦长s的距离X_RkSS0.1处(从叶片前缘沿弦5测量)具有曲率半径R_kSS0.1，其与弦长s的商R_kSS0.1/s为0.40。在0.75倍弦长s的距离X_RkSS0.75处，曲率半径R_kSS0.75与弦长s的商R_kSS0.75/s为0.84。

X_RkSS0.1/s＝0.1；R_kSS0.1/s＝0.40

X_RkSS0.75/s＝0.75；R_kSS0.75/s＝0.84。

在压力侧上，商R_kDS0.15/s为0.75，该商R_kDS0.15/s是曲率半径R_kDS0.15在0.15倍的弦长s的距离X_RkDS0.15处——从叶片前缘沿弦5测量——与弦5形成的，曲率半径R_kDS0.80的商R_kDS0.80/s在沿轴线方向0.80倍弦长s的距离X_RkDS0.8处为0.56。

X_RkDS0.15/s＝0.15；R_kDS0.15/s＝0.75，

X_RkDS0.80/s＝0.80；R_kDS0.80/s＝0.56。

弦5或叶片前缘和叶片后缘的切线与圆周方向U包夹成叶片安装角β_s，该叶片安装角β_s在图4中标出并为78°。沿圆周方向相邻的叶片的吸力侧SS的平行于轴线方向的切线的距离t(比较图4)与弦长s的分隔比例t/s为0.74。

在图4中通过箭头标明的叶片前缘的入流与圆周方向的入流角度β₁为32°，相应的出流角度β₂为25°。

附图标记清单

1动叶片

2最大的绘出的圆

3前缘圆

4后缘圆

5弦

SS吸力侧

DS压力侧

Sk骨线