专利名称：用于流体机械的叶栅和带有这种叶栅的流体机械的制作方法
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(abl0simgsarm)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)0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(Fui3 form)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(Anstrdmwinkel)或入流角度(Zustrdmwinkel),其特别地可以 在26°至36°之间的范围中一优选地在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。
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。
具体实施例方式图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β3。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fss，在双切线系统中测量，其与弦长 s的商fss/s为0. 54。压力侧DS在截面中具有最大高度fDS，其与弦长s的商fDS/s为0. 20。 骨线Sk在截面中具有最大高度fsk，其与弦长s的商fsk/s为0. 37 :fss/s = 0. 54，fsk/s = 0· 37，fDS/s = 0. 20 ο吸力侧SS在位置Xfss具有它的最大高度fss，该位置Xfss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XfSS/s 为0. 41。压力侧DS在轴线方向位置Xas达到它的最大高度fDS，轴线方向位置Xfds参考弦 长s为0. 52。骨线Sk在轴线方向位置Xfsk具有它的最大高度fsk，该位置Xfsk参考弦长s为 0. 43。Xfss/s = 0. 41,XfSk/s = 0. 43,
父咖/8 = 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Dmax/ 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XDmax/s，具有从弦5起的 0. 36的高度fxDmax。前缘圆3具有(参考弦长s) 0. 035的直径De/s，后缘圆4具有0. 015的
直径Da/s:Dmax/s = 0. 35 ；XDfflax/s = 0. 38 ；fxDfflax/s = 0. 36，De/s = 0. 035，Da/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XKkssa i处(从叶片前缘 沿弦5测量)具有曲率半径Rkssai，其与弦长s的商Rkssa/s为0. 40。在0. 75倍弦长s的 距离W75处，曲率半径Rksso. 75与弦长s的商Rksso. 75/s为0. 84。Xffltsso. ^ = 0. 1 ；Rksso. ^ = 0. 40XEksso.75/s = 0. 75 ；Rksso. 75/s = 0· 84。在压力侧上，商Rkim 15/s为0. 75，该商RkDSQ. 15/s是曲率半径Rklisa 15在0. 15倍的弦 长s的距离XKkDsa 15处——从叶片前缘沿弦5测量——与弦5形成的，曲率半径Rkim8tl的商 Rkliso. so/s在沿轴线方向0. 80倍弦长S的距离Xmdm8处为0. 56。XEkDS0.15/s = 0. 15 ；Rldiso. 15/s = 0. 75,XEkDS0.80/s = 0. 80 ；Rkim8tZs = 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i^SSZ。，相 应的出流角度日2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
权利要求
1.一种用于流体机械——特别地用于蒸汽涡轮机——的叶栅，所述叶栅包括多个成型 叶片，特别地为成型动叶片(1)，所述成型动叶片⑴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)，其特征在于，所述吸力侧(SS)在截面中具有最大高度(fss)，该最大高度(fss)与弦长(s)的商(fss/ s)在0. 52至0. 56之间的范围中——特别地在0. 53至0. 55之间，并且/或者所述压力侧(DS)在截面中具有最大高度(fDS)，该最大高度(fDS)与弦长(s)的商(fDS/ s)在0. 18至0. 22之间的范围中——特别地在0. 19至0. 21之间，并且/或者所述骨线(Sk)在截面中具有最大高度(fsk)，该最大高度(fsk)与弦长(s)的商(fsk/s) 在0. 35至0. 39之间的范围中——特别地在0. 36至0. 38之间。
2.根据权利要求1所述的叶栅，其特征在于，所述吸力侧(SS)在从叶片前缘测量并参 考弦长(s)而言的、位于0. 39至0. 43之间——特别地位于0. 40至0. 42之间的范围(Xfss/ s)中具有它的最大高度(fss)。
3.根据上述权利要求中任一项所述的叶栅，其特征在于，所述压力侧(DQ在从叶片前 缘测量并参考弦长(s)而言的、位于0. 50至0. 54之间——特别地在0. 51至0. 53之间的 范围(XfDS/s)中具有它的最大高度(fDS)。
4.根据上述权利要求中任一项所述的叶栅，其特征在于，所述骨线(Sk)在从叶片前缘 测量并参考弦长(s)而言的、位于0.41至0. 45之间——特别地在0. 42至0. 44之间的范 围(XfSk/s)中具有它的最大高度(fsk)。
5.一种用于流体机械——特别地用于蒸汽涡轮机——的叶栅，所述叶栅包括多个成型 叶片，特别地为成型动叶片(1)，所述成型动叶片⑴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)，特别地为根据前述权利要求中任一项所述 的，其特征在于，在吸力侧和压力侧之间绘出的最大圆，参考弦长(s)，具有在0. 33至0. 36之间的范围 中的直径(Dmax/s)——特别地在0. 34至0. 36之间，并且/或者具有从叶片前缘测量在0. 36 至0. 40之间的范围中的中心距离(XDmax/s)——特别地在0. 37至0. 39的范围中，并且/或 者具有在0. 34至0. 38之间的范围中的截面中的中心高度(fxDmax/s)——特别地在0. 35至 0. 37之间，并且/或者前缘圆(3)，参考弦长(s)，具有在0. OM至0.046之间的范围中的直径(De/s)——特 别地在0. 025至0. 045之间，并且/或者后缘圆G)，参考弦长(s)，具有在0.099至0.021之间的范围中的直径(Da/s)——特 别地在0.01至0. 02的范围中。
6.一种用于流体机械——特别地用于蒸汽涡轮机——的叶栅，所述叶栅包括多个成型 叶片，特别地为成型动叶片(1)，所述成型动叶片⑴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)，特别地为根据前述权利要求中任一项所述 的，其特征在于，所述吸力侧(SS)在从叶片前缘测量的0. 1倍弦长(s)的距离(XKkssai)处具有曲率半 径(Rkssai)，其与弦长(s)的商(RksstlVs)在0. 38至0. 42之间的范围中——特别地在0. 39 至0. 41之间，并且/或者在从叶片前缘测量的0. 75倍弦长(s)的距离(Xffltssa75)处具有曲 率半径(Rkss。.75)，其与弦长(s)的商(Rkssa75/s)在0.82至0.86之间的范围中一特别地在0. 83至0. 85之间，并且/或者所述压力侧(DS)在从叶片前缘测量的0. 15倍弦长(s)的距离(Xmisai5)处具有曲率 半径(Rkimi5),其与弦长(s)的商(Rklisai5A)在0.73至0.77之间的范围中——特别地在 0. 74至0. 76之间，并且/或者在从叶片前缘测量的0. 80倍弦长(s)的距离(Xffldm8)处具 有曲率半径(RkDsa8Q)，其与弦长(s)的商(Rkdsq.8Q/s)在0. M至0.58之间的范围中——特 别地在0. 55至0. 57之间。
7.根据上述权利要求中任一项所述的叶栅，其特征在于，所述动叶片(1)的弦(5)与 所述圆周方向(U)包夹成叶片安装角(β s)，其在73°至83°之间的范围中——特别地在 74°至82°之间。
8.根据上述权利要求中任一项所述的叶栅，其特征在于，所述弦长(s)小于或等于 70mm——特别地小于或等于63mm。
9.根据上述权利要求中任一项所述的叶栅，其特征在于，沿圆周方向(U)相邻的叶片 的吸力侧(SS)的平行于轴线的切线的距离(t)与弦长(s)的分隔比例(t/s)在0.70至 0. 79之间的范围中——特别地在0. 71至0. 78之间。
10.一种流体机械，特别地为蒸汽涡轮机，其包括至少一个根据前述权利要求中至少一 项所述的叶栅。
11.根据权利要求10所述的流体机械，其特征在于，叶片前缘的入流至圆周方向的入 流角度(P1)在26°至38°之间的范围中——特别地在27°至37°之间。
12.根据权利要求10或11所述的流体机械，其特征在于，叶片后缘的出流至圆周方向 的出流角度(β2)在20°至30°之间的范围中——特别地在21°至四°之间。
全文摘要
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。
文档编号F01D5/14GK102084089SQ200980126997
公开日2011年6月1日 申请日期2009年6月24日 优先权日2008年7月4日
发明者G·纽曼, J·加茨克, M·A·施沃茨, U·哈贝克 申请人:曼柴油机和涡轮机欧洲股份公司