专利名称：涡轮叶片的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种涡轮叶片和一种安装有该叶片的涡轮机。虽然本发明主要涉及蒸汽涡轮机，但也可以应用于其他涡轮机和压缩机。本说明书中使用的术语″涡轮″包括，具有翼型叶片的这类机器。它主要指在涡轮机中的静叶片，但又不局限于静叶片。
涡轮效率具有重大的意义，特别是对于大型设备，增加百分之几的效率能产生非常巨大的费用节省。因此，大量的金钱和努力不断地投入叶片研究中，因为这是一个关键性的零件。
多年来，传统的叶片一直是翼型截面，(静)叶片在内和外端环之间径向延伸，叶片呈棱柱形，即由一母线平行于自身移动并相交一翼型截面而形成。为了这种棱柱形叶片设计，静和动叶片两者相对各自叶片轴的方位都已标准化了，该方位由涡轮机轴线与翼型叶片压力面上前缘及后缘圆的切线之间的交错角确定。
对涡轮中棱柱形叶片性能的一种公知的改进为让叶片″偏斜″，即让叶片沿其根部在一周平面内，即在一与涡轮轴线垂直的截面内倾斜，这种″偏斜″使流量从根至顶部的叶片出口处产生变化。叶片在径向的内和外端称为根和顶部，尽管根和″顶部″两者都终止在附
图1中所示的支承环21和22的端壁上。
由于叶片的圆周间距(即节距)从根到顶部逐渐增加，喉部与吸力面相交的位置随增大的半径而向上游方向移动。由于吸力面的凸面曲率，导致出口角(相对切线方向)从根部大约13°增加至在顶部大约15°。这种情形示于图6中。
叶片出口角α示于附图3a和3b中，以Sin-1(喉部/节距)定义。
由这些图中可以看出以下参数喉部是叶片通路的最小宽度。它通常从叶片后缘的压力面伸出来，并且与相邻叶片的吸力面垂直。
交错角是涡轮轴线和与翼型截面的前缘及后缘圆相切的切线之间的角度。
叶片弦长是指叶片沿交错角切线的整个叶片范围长度。
基本棱柱形叶片设计的改进过去已经提出来了。例如，Hitachi Review，卷27，№.3，1978年中，提出了扭转的和其他形式的叶片。在所谓″受控涡流喷嘴设计中″，描述了一种喷嘴(即静叶片)，在其径向高度的下半部，它与传统的棱柱型叶片一致， 但在上半部，有逐渐变细的安装角。安装角是这样一个角，在任一叶片高度，翼型截面在其自身平面内从棱柱形叶片的正常位置所转动的角度。变细的安装角表明翼型截面的转动减小了喉部，因而减小了出口角，而变粗的安装角表示转动加大了喉部。早期这篇文章中的图3表示从根到顶部叶片连续转动时，安装角随着叶片高度增加而变小的情形。
尽管早期的研究对叶片设计和安装角有很好的理解分析，但尚没有发现任何一种试研究设计达到本发明提供的改进程度。
因此，本发明的一个目的是提供一种叶片设计，它显著地提高了先有已知设计的性能。
依据本发明，作为设置在涡轮机工作流体的环形通道内相同的叶片环中的一个涡轮叶片，从其径向里端根部至其径向外端顶部，具有至少大致不变的翼型截面，并且在根和顶部之间大致上对称地弯曲，使翼型叶片的压力面在根和顶部之间在径向呈凸形。
翼型截面在叶片根和顶部在其自身平面内相对中-高截面以优选的5°±2°的范围转动，更优选的角度范围为5°±1°。
叶片的翼型截面在根和顶部之间最好位于一抛物曲线上。
叶片的后缘，从根至顶部，最好为直的，通过翼型截面绕其直后缘的转动位移而使叶片压力面在径向产生凸曲率。
依据本发明的一个方面，在装有如前所述的静叶片的涡轮中，相邻静叶片之间的喉部对叶片间距之比，给出了叶片出口角的正弦，叶片根部出口角的优选范围为7°至11°，更优选的范围为8°至10°。
静叶片在中-高截面的安装角优选如下设置与根部出口角一起，使整个通道的喉部面积与具有相同交错角的棱柱形叶片的涡轮机的通道面积相等。
在适于降低工作流体的流体密度的多级涡轮机中，叶片根部的口出角在涡轮各级中保持不变，而叶片径向中-高处的翼型截面安装角则要使每一级叶片保持予定的喉部面积。这个预定的喉部面积则是其他相似的传统涡轮机在相应级处以棱柱形叶片提供的喉部面积。
依据本发明的一个特征，叶片和与其连接的端部元件整体成形并被切削加工，以便在叶片翼型面和端壁之间设置圆角。这些圆角在相邻的叶片根部或顶部之间，其半径优选在0.15至0.3倍相邻片的根部或顶部喉部尺寸的范围内。另一种可选择的方法，是用一平均数值代替之，这种情形的优点是更易于加工，因为所有圆角都一样，但缺点是效率获益有所下降。这个平均值优选为在叶片根和顶部相邻叶片之间喉部尺寸的平均值。圆角半径更优选的范围为0.2至0.25倍所用喉部尺寸，特别优选的约为该数值的0.23倍。
下面以实施例的方式，并参照附图，对依据本发明的一种涡轮叶片以及安装在蒸汽涡轮机中的涡轮叶片进行描述，其中，图1是一蒸汽涡轮轴向剖面图，表示一传统的″涡轮盘和隔板″高/中压蒸汽涡轮级，其包括了一静叶片组件。
图2是位于静叶片隔板中两个这种传统叶片的透视图；图3a是图2中叶片的径向示意图；图3b是表示静叶片出口角的图；图4是依据本发明的一静叶片的透视图；表面上所示的格网图形在实际上不出现，只是为了强调叶片曲面的形成；图5是为传统的棱柱形叶片和依据本发明的叶片而作的叶片截面安装角相对叶片截面从根到顶部的高度的曲线图；图6是叶片出口角对截面高度的曲线图，仍是这两种类型的叶片的；图7是两叶片之间喉部通道的部分截面图，表示出了在两叶片和端部元件之间形成的圆角；图8表示带有传统圆角的叶片后缘和带有″流线形″圆角的叶片后缘。
现在参看附图，图1表示出了一种传统的″涡轮盘和隔板″高/中压力蒸汽涡轮级的轴截面示意图。工作流体，蒸汽，的流动方向F大致与涡轮机转子轴线A平行。转子10的每一级有一圆盘11，其上固定着一组或一排动叶片12，其在圆周成一排并且以一定间隔分开，叶片12在其径向外端装有排气管套13。按F的方向从涡轮机前端流向后端的蒸汽中的能量在转子12中转变成机械能。对于每一级，静叶片组件位于一组动叶片12前并且固定在涡轮机内壳20上。静叶片组件包括一径向内环21，一径向外环22，和在圆周成一排并有一定间隔的静叶片23，每个叶片23内端处固定在内环21上，外端固定在外环22上，每个叶片有一前缘24，其对着汽流并具有一后缘25。带有内和外环21、22的叶片组件23称作隔板。如图1所示的涡轮盘和隔板属于如下的类型其内和外环21、22之间垂直于涡轮机轴A的面积在静叶片后缘25处大于叶片前缘24处的。另外，在图1所示的实例中，叶片23固定于其上的环(或端部元件)21、22的表面，即端壁为一截头圆锥形，按方向F从涡轮轴A由叶片23的前缘24向后缘扩散。
现在参看图2，所示为图1中那种类型的静叶片组件的局部后示图。图2所示静叶片23属于传统的棱柱式，也就是，它们每一个都是直的，即被设计成叶片理论上的翼型截面，每个都被认为垂直于涡轮轴的径向，从叶片里端至叶片外端具有相同的形状，从叶片根至顶端没有被扭转，沿着前缘24和后缘25叠放在一起，每个都在一直线上。每个叶片23有一凹压力边26和一凸吸力边27。
参看图3a，它表示，在径向视图中，静叶片23和29对涡轮轴A和横截面(即垂直面或圆周平面)T的方向，T平面包含了静叶片环，而轴线A与之垂直。叶片翼型截面以一后缘小圆15和一前缘大圆17为基础。与这两个圆相切的切线19与轴向A成一角度ψ交错角。
若从叶片23的吸力面27引一条垂线与相邻叶片29的压力面26相交，并取其最短的线段，这就是喉部尺寸t，它产生在叶片29的后缘25的区域。这个尺寸t与静叶片的节距P的比给出了所谓出口角α的正弦值，可以看出，这个角大致为每一叶片相对横截面T的出口角。
图4表示依据本发明的原理成形的一种叶片。它有一与传统的棱柱形叶片相同的直后缘25，但叶片的其余部分，特别是前缘24，不是直的，而是以下述方式弯曲叶片的压力面在根和顶部之间沿径向呈凸形，也就是，在叶片之间与总的蒸汽流向垂直的平面内呈凸形。在图4中表示出了这样的平面31，在压力面26上的该面的凸曲率不明显而与前缘24处的相一致。
这一曲率在图5中更具体地以图4中叶片从根部35至顶部37的各翼型截面33的安装角的变化来表示。单个的翼型截面33可以看成是在其自身平面内绕后缘25按安装角转动，在径向高度的中部该角是正值，在根和顶部为负值。朝压力面26转动为″正″，朝吸力面为″负″。
对于图5的特例，大约在径向高度约1/5和4/5处的安装角为0，该处的翼型截面具有相同的交错角，即，相对涡轮轴方向一致，如同传统的棱柱形叶片在其他传统的涡轮机中那样。″传统的″交错角理论值为48.5°。
安装角从根和顶部的负2.5°变化至径高中心处的正2.5°。在传统的即参照例中，交错角是48.5°，这是一种优选的方案。不过，如果只是在一较小的限度内，对于安装角5°范围的偏差值，仍会产生效率上的好处。可以预想到，对于5°范围的±2°偏差仍然是有益的，即，安装角差的范围从根部/顶部与中心高处之间的3°至根部/顶部与中心高处之间的7°。但优选把偏差限制在±1°，即范围从4°到6°。
叶片在全高的安装角变动优选为一抛物线形，如图5所示。
翼型截面绕除了后缘25之外的轴，例如前缘24或其他中间的轴线斜扭，在某种程度上可以接受。不过，选择后缘作为转动轴有若干好处。这能保持在静叶片与下游的动叶片之间临界面间隙恒定。这一间隙对动叶片不稳定的气动力有重大影响，同时由于端壁上边界层的增加而影响级效率。其次，加大前缘的曲率，会导致在叶片前缘区域产生″复合偏斜″效应，产生二次流。这些二次流含有与主流平行的涡流，后者在相邻静叶片之间的端壁附近。通过使用本发明的这种复合弯曲叶片，在整个内(即下)半高叶片内，压力面径向朝内，而整个外半高叶片内压力面径向朝外。作用在流体的物体力被在端壁上较高的静压力抵消。这使端壁附近的流速降低，从而减小了磨擦损失。
下面参看图6，它表示出口角α与叶片截面径向高度(图4中33)之间的关系。
在传统的棱柱形的情形中，出口角几乎线性地增加，从叶片根部的大约13°增加至顶部的大约15°。这种开口的增加只是由于叶片节距随半径的增加而增加。在安装有本实施例的、并且具有图5的安装角曲线规定的形状的静叶片的涡轮机级中，出口角从根部的约9.6°变动至中-高处的约15.6°，在顶部又回到12°。这种不对称性可相似地从叶片节距随半径的增加而增加中导出来，因为喉部随叶片节距的增加而向上游方向移动(在吸力面上)，并且因为喉部增加比叶片节距增加快，因此也比半径增加快。在顶部和根部之间出口角的差别不受在该顶和根部的安装角的影响。
本发明弯曲叶片的效果在于减少流过根和顶部端壁附近高损失区的流量，而增大经过效率更高的中-高处区域的流量。
本申请人所知最好的棱柱形设计为8°的直的负偏斜，即，其中静叶片在横截面内，相对经过根部的半径以8°的方向朝吸力面偏斜。以这一″最好″的传统设计相比，本发明的弯曲叶片，在一个二级空气涡轮中测试时，显示出0.8％的效率增益。
能够想得出，不仅在静叶栅，而且在下游的动叶栅中也能提高效益，因为减少了流入高第二次损失的端壁区的流量。
当本发明的概念适用于在全高压或中压的汽缸中的连续级中时，在叶片高度随蒸汽密度减小而增加的场合，要使用以下技术(a)根部叶片截面的出口角在各级间保持在约9°。
(b)顶部的安装角与根部的相同，即，叶片相对于中-高是对称的；(c)在中-高截面处的安装角的选择要使平均喉部(叶片全高的)与在同一级中的棱柱形的保持相等。这能使级反力与相应的传统设计保持在同一等级。
(d)采用安装角在整个叶片高度范围内以抛物线分布作为基设计。
可以看出，对于多级来说，叶片的形式只是简单地依照该级叶片的高度而径向伸延。
虽然本发明已经就低反力涡轮盘和隔板型蒸汽涡轮机中应用″短高″HP/IP静叶片作了描述，但它可以应用到其它类型的轴流涡轮机和压缩机上，和动叶片上以及静叶片上。
本发明的另一个特征涉及静叶片在其端部元件之间的结构。叶片与其端部元件成组地整体地机加工或铸造，端部件的截面为环21和环22(图1和图2)。然后机加工叶片单元使之具有必须的精确尺寸和表面光洁度。
图7是两静叶片间喉部通道部分的横截面图。已经发现在端部元件21和22之间的圆角半径对级效率有很大影响。已经发现最适宜的圆角半径范围为喉部尺寸的0.15至0.3倍，这个范围的优选部分为0.2于0.5，特别是0.23。
很显然，因为在顶部的喉部不同于在根部的喉部(由于节距随半径而增加)，最适宜的圆角半径在外端部元件处的会不同于在内端部元件处的。于是，优选的最适宜的半径值为γ圆角，根部＝0.233×孔根部γ圆角，顶部＝0.233×孔顶部不过，在加工过程中，两个不同的半径值要求使用不同的切削刀具，可以折中地只使用一个半径值，该值为上述数值的平均值，即 在两级空气涡轮机中使用上述″平均″圆角半径连同所述的″可控流″叶片设计，测试表明，与最好的传统设计的棱柱形静叶片(设置-5°的直的″偏斜″后缘)相比，级效率增益约为1.2％。
为了减小阻塞影响，把叶片后缘下游方向的圆角″流线化″也有益处。这种情形示于图8，其中，图8a表示在后缘25与端壁21之间带有传统圆角的后缘25的后视图，图8b表示同一视图，但带有″流线化的圆角。图8b的局部侧视图示于图8c中，其中，可以清楚地看出，圆角在其最下游点从后缘消失为0。
权利要求
1.一种涡轮叶片，用于作为设置于涡轮工作流体环形通道内的相同叶片环之一，它具有从其在径向内端处的根部(35)到其在径向外端处的顶部(37)至少大体不变的翼型横截面，并且叶片在根和顶部之间实质上对称地弯曲，从而使翼型叶片的压力面(26)在根和顶部之间在径向呈凸形。
2.依据权利要求1的涡轮叶片，其中，在叶片根和顶部的翼型截面(33)在其自身平面内相对中高处截面转动一范围在5°±2°的角度。
3.依据权利要求2的涡轮叶片，其中，上述翼型截面(33)在其自身平面内相对-高处截面转动的角度范围为5°±1°。
4.依据前述任一权利要求的涡轮叶片，其中，在根(35)和顶(37)部之间的翼型截面(33)位于一抛物曲线上。
5.依据前述任一权利要求的涡轮叶片，其中，叶片的后缘(25)从根(35)至顶(37)部之间是直的，在半径方向叶片压力面(26)的凸曲率通过翼型截面(33)绕直后缘的转动位移而获得。
6.一种涡轮机，包括至少具有一级涡轮，该级涡轮具有依据权利要求1至5中任一项所述的涡轮叶片。
7.一种蒸汽涡轮机，包括至少一级涡轮，其中，静叶片是依据权利要求1至5中任一项的叶片。
8.一种包含了至少一级的涡轮机，其中，静叶片是依据权利要求1至5中任一项的叶片。
9.依据权利要求8的一种涡轮机，其中相邻静叶片之间的喉部(t)对叶片的节距(p)之比给出了叶片的出口角(α)的正统值，在叶片根部(37)的出口角范围为7°至11°。
10.依据权利要求9的涡轮机，其中，上述出口角(α)的范围为8°至10°。
11.依据权利要求9或10的涡轮机，其中，静叶片的中-高截面的安装角如下设置它与根部出口角(α)一起，使整个通道的喉部面积与具有相同交错角的棱柱形叶片的涡轮机的相等。
12.依据权利要求6至11中任一项的涡轮机，它具有适应工作流体的流体密度降低的多级，其中，在叶片根部(35)的安装角在涡轮各级之间保持不变，而在叶片中-高处的叶片翼型截面(33)的安装角则使每一级叶片保持予定的喉部面积。
13.依据权利要求12的涡轮机，其中，上述预定的喉部面积是另外的传统的涡轮机在相应级处以棱柱形叶片提供的喉部面积。
14.一种实质上以附图4和5所描述的涡轮叶片。
15.一种蒸汽涡轮机，它包括实质上各附图所描述的静叶片级。
16.一种涡轮机，包括一安装在内和外端部元件(21，22)之间翼型叶片环，在相邻叶片之间的工作流体通道被上述端部元件形成的端壁在横截面内被封闭，其中，叶片和与其连接的端部元件整体成形并被机加工，在叶片翼型表面(26，27)和端壁(21，22)之间有圆角，上述圆角的半径范围为0.15至0.3倍相邻叶片间喉部尺寸。
17.依据权利要求6至13中的任一项的涡轮机，其中，上述涡轮叶片安装在内和外端部元件(21，22)之间，相邻叶片之间的工作流体通道被上述端部元件形成的端壁在横截面内被封闭，叶片与其连接的端部元件整体成形并被机加工，在叶片翼型表面(26，27)和端壁(21，22)之间设有圆角，上述圆角的半径范围为0.15至0.3倍相邻叶片间喉部尺寸。
18.依据权利要求16或17的涡轮机，其中，上述圆角的半径范围为在叶片根(35)和顶部(37)处所取的相邻叶片间喉部尺寸的平均值的0.15至0.3倍。
19.依据权利要求16或17的涡轮机，其中，上述圆角的半径范围为分别在叶片根部(35)或者顶部(37)处所取的相邻叶片间喉部尺寸的0.15至0.3倍。
20.依据权利要求18或19的涡轮机，其中，圆角半径的放大因子在0.2至0.25的范围内。
21.依据权利要求18或19所述的涡轮机，其中圆角的放大因子近似为0.23。
22.依据权利要求16至21中任一项的涡轮机，其中，上述圆角向上述叶片相应的后缘的后方伸延，这个区域的圆角是凹面形的，并且消失于上述相应后缘下游某点的其各自的端壁内。
全文摘要
本发明特别涉及在轴流蒸汽涡轮中的静叶片的设计。传统的叶片具有翼型横截面的棱形形状，并在两环形端部元件(21，22)之间径向伸延。本发明的叶片在径(高)向弯曲，在其压力面(26)从根(35)至顶(37)呈凸形。因此，对于相应的棱柱形叶片的安装角在根和顶部变细，在中一高处变粗。因之，在根和顶处的喉部减小，在中一高处增加，从而把部分流量从两个损失端壁区移走。这使级效率极大地提高。在叶片根和顶部处的其与端壁之间设置一最佳内圆角会进一步提高效率。
文档编号F01D5/14GK1126796SQ9511639
公开日1996年7月17日 申请日期1995年8月30日 优先权日1994年8月30日
发明者B·霍勒, D·M·霍尔, V·J·安德鲁斯 申请人:Gec阿尔斯特霍姆有限公司