用于轴流式流体机械的导向叶片环和用于设计导向叶片环的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于设计轴流式流体机械(1)的级(22)的方法，所述轴流式流体机械具有导向叶片环(2)和设置在导向叶片环(2)的下游的转子叶片环(20)，所述方法具有下述步骤：根据空气动力学的和机械的边界条件对导向叶片环(2)造型，所述导向叶片环具有规则地设置在导向叶片环(2)的环周上的导向叶片(3)；沿环周方向移动至少一个导向叶片(3)的至少一个造型部段，使得至少一个导向叶片(4)和与其相邻设置的导向叶片(4)的分度角(13)关于叶片高度发生改变，使得在轴流式流体机械(1)运行时，在导向叶片环(2)下游构成的出流在轴流式流体机械的环周上不规则地构成为，使得转子叶片环(20)的转子叶片(19)的振动激励是小的。
【专利说明】用于轴流式流体机械的导向叶片环和用于设计导向叶片环的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于轴流式流体机械的导向叶片环、轴流式流体机械和一种用于设计导向叶片环的方法。
【背景技术】
[0002]在蒸汽轮机中，水蒸气为了产生旋转能而膨胀。蒸汽轮机具有多个级，其中每个级具有带有多个导向叶片的导向叶片环和带有多个转子叶片的转子叶片环。转子叶片安置在蒸汽轮机的轴上并且在蒸汽轮机运行时旋转，导向叶片安置在蒸汽轮机的壳体上并且静止。叶片能够在蒸汽轮机运行时受到激励而振动。振动的特征在于，振动节点设置在叶片的叶根上。由于振动造成的应力负荷尤其在叶根上是高的，使得在叶根上能够出现材料疲劳,所述材料疲劳要求成本密集地更换导向叶片。
[0003]在各两个相邻设置的导向叶片之间构成流动通道，在蒸汽轮机运行时，水蒸气流过所述流动通道。在导向叶片环的下游的流的速度分布在导向叶片的后缘的区域中具有局部速度最小值，所述局部速度最小值称作为尾流低压(Nachlaufdellen)。尾流低压能够激励设置在导向叶片环的下游的转子叶片振动。
【发明内容】
[0004]本发明基于下述目的，提供一种用于轴流式流体机械的级、具有该级的轴流式流体机械和一种用于设计该级的方法，其中克服上述问题并且该级的转子叶片具有长的使用寿命。
[0005]根据本发明的用于设计具有导向叶片环和设置在导向叶片环下游的转子叶片环的流体机械的级的方法具有下述步骤:根据空气动力学的和机械的边界条件对导向叶片环造型，所述导向叶片环具有规则地设置在导向叶片环的环周上的导向叶片；沿环周方向移动至少一个导向叶片的至少一个造型部段，使得至少一个导向叶片和与其相邻设置的导向叶片的分度角关于叶片高度发生改变，使得在轴流式流体机械运行时，在导向叶片环下游构成的出流在轴流式流体机械的环周上不规则地构成为，使得转子叶片环的转子叶片的振动激励是小的。
[0006]在造型时，根据边界条件来设计不同的造型部段。每个导向叶片由造型部段组成，其中每个造型部段分配有一个穿引点并且所有造型部段借助其穿引点“穿引”在穿引线上。根据本发明，移动至少一个造型部段，使得至少一个造型部段的穿引点不再位于初始的传引线上。
[0007]分度角是两个连接线之间的角度，所述连接线始于轴流式流体机械的轴线上的共同点以及垂直于轴线伸展并且在两个相邻设置的导向叶片的表面上的相应的点处结束。两个相应的点为两个下述点，所述点与轴流式流体机械的轴线具有相同的径向间距并且分别设置在导向叶片的相同位置上，即例如设置在相应的导向叶片的压力侧上的、抽吸侧上的、前缘上的或后缘上。在导向叶片环具有规则地设置在环周上的导向叶片时，分度角是标称分度角2*Π/η，其中Π是圆周率并且η是设置在导向叶片环中的导向叶片的数量。
[0008]转子叶片能够受到两个不同的用于振动的激励机制，即颤振和强迫振动(英语:“forced response”)。颤振是自激振动,其中流的能量能够转变成转子叶片的振动。颤振不通过下述叶片振动来激励，所述叶片振动能够自增强，使得叶片在每个随后的振动周期中更强地振动。这能够引起转子裂片的撕裂。由于分度角改变，在两个相邻设置的通道中得出流的其他偏转角，由此从导向叶片环至转子叶片环的入流不规则地在轴流式流体机械的环周上构成。因此转子叶片的负荷在转动期间发生改变，由此有利地减小颤振。
[0009]强迫振动由于转子叶片的周期性的激励得出。在两个相邻设置的导向叶片之间设置有各一个通道，轴流式流体机械的流体能够流过所述通道。与两个通道相关联的尾流低压通过自身发生改变的分度角而具有不同的形状和环周位置。在轴流式流体机械运行时，设置在下游的转子叶片浸入到尾流低压中，由此转子叶片经受不稳定的迎流，所述迎流能够引起转子叶片的振动激励。由于尾流低压在环周上是不均匀的，振动激励非周期性地进行，由此转子叶片的强迫振动同样有利地是弱的。
[0010]移动至少一个造型部段优选在下述移动路径上进行，所述移动路径对于两个相邻设置的导向叶片中的每一个为通道在两个导向叶片之间在环周方向上的延伸的至多10%。优选移动造型部段，使得导向叶片相对于与其相邻设置的导向叶片倾斜。在该情况下，分度角线性地关于叶片高度发生改变。
[0011]优选移动造型部段，使得两个相邻设置的导向叶片中的至少一个实施成是弯曲的。在此，分度角非线性地关于叶片高度发生改变。造型部段在其中移动的导向叶片优选以围绕轴流式流体机械的轴线对称分布的方式设置。因此，在导向叶片环的下游的流是对称性的。
[0012]转子叶片优选地设计成，使得转子叶片的固有频率不会与轴流式流体机械的转动频率或多倍的转动频率、直至八倍的转动频率一致，其中包括八倍的转动频率。因此，有利地确保，在轴流式流体机械运行时，不会出现轴流式流体机械的转动和转子叶片的振动之间的耦合。所述耦合能够引起从流动到振动中的能量输入的增大。
[0013]优选地，造型部段在此位于轴线与轴流式流体机械的轴线重合的柱面或锥面上、位于S1流动面上或位于轴流式流体机械的切向平面中。S1流动面在轴流式流体机械的轴向方向和环周方向上延伸并且描述遵循理想化的流动的面。该方法优选具有下述步骤:使至少一个造型部段匹配于在移动之后改变的空气动力学的边界条件。
[0014]根据本发明的级借助根据本发明的方法来设计。根据本发明的轴流式流体机械具有级，尤其是作为轴流式流体机械的最后的、位于下游的级。轴流式流体机械的最后一级中的转子叶片是在轴流式流体机械中具有最长的径向延伸的转子叶片从而尤其易受振动激励的影响。因此，转子叶片的非周期性的振动激励尤其在最后一级中是有利的。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]在下文中根据所附的示意图来阐述根据本发明的级的优选的实施方式。附图示出:
[0016]图1至3分别示出根据本发明的级的导向叶片环的一个实施方式的俯视图的一部分并且
[0017]图4示出贯穿根据本发明的级的纵剖图。
【具体实施方式】
[0018]如从图1至3中可见的那样，轴流式流体机械I具有导向叶片环2和壳体7。导向叶片环2具有多个导向叶片3、4，其中每个导向叶片3、4都具有叶根5、叶尖6、压力侧9和抽吸侧10。每个导向叶片3、4借助其叶尖6固定地安置在壳体上并且借助其叶根5固定地安置在轮毂环8上。在两个相邻设置的导向叶片3、4之间构成通道14，工作流体能够在所述通道中流动。在图1至3中分别示出导向叶片3、4的后缘。
[0019]在图3中示例性地示出轴流式流体机械I的分度角13。在两个相邻设置的导向叶片3、4上分别示出导向叶片3、4的后缘上的表面点15。两个表面点15在此与轴流式流体机械I的轴线11具有相同的间距。同样地，在图3中示出两条连接线16，所述连接线分别始于两个表面点15、垂直于轴流式流体机械I的轴线11伸展并且分别在轴流式流体机械I的轴线11上的同一点上结束。两条连接线16围成分度角13。
[0020]在图1至3中示出在移动至少一个造型部段之前和在移动至少一个造型部段之后的导向叶片环2。在图1至3中示出在移动之前的导向叶片3 (实线)和在移动之后的导向叶片4(虚线)。导向叶片3的特征在于，所述导向叶片对于每个导向叶片3并且对于每个表面点15具有相同的分度角13，即标称分度角12。标称分度角12为2*Π/η，其中η是转子叶片环2中的转子叶片3的数量并且Π是圆周率。
[0021]在图1中移动造型部段，使得导向叶片4与导向叶片3相比是倾斜的。在此，导向叶片环2在移动之后分别具有相同的相邻设置的导向叶片4的对。对的特征在于，一对的导向叶片4中的一个导向叶片的叶根5沿导向叶片环2的一个环周方向移动并且叶尖6沿与所述一个环周方向相反的另一个环周方向移动。该对的另一个导向叶片4与该对的所述一个导向叶片4相反地倾斜，这就是说，该对的所述另一个导向叶片4的叶根5沿另一个环周方向移动并且所述另一个导向叶片4的叶尖6沿所述一个环周方向移动。这样设置的导向叶片4导致分度角13关于叶片高度、即与轴流式流体机械I的轴线11的径向间距相关地线性变化。在图1中，导向叶片环2完全由相同的对形成。同样能够考虑的是，导向叶片环交替地由这些对和导向叶片3在没有移动造型部段的情况下形成。在此，能够分别在两对之间设有一个导向叶片3或多个导向叶片3，其中当设有仅一个导向叶片3时，气动弹性的耦合的干扰是更有效的。
[0022]图2中的导向叶片环2同样具有导向叶片4的对。导向叶片4的对弯曲成，使得导向叶片4具有凸出部。在此，一对中的一个导向叶片4具有沿一个环周方向的凸出部并且该对中的另一个导向叶片4具有沿另一个环周方向的凸出部。同样能够考虑的是，导向叶片4具有多个凸出部，所述凸出部沿环周方向设置在导向叶片3的相同侧上或沿环周方向设置在导向叶片4的两侧上。此外，可能的是，从导向叶片4到另一导向叶片4的凸出部的形状发生变化，以便尤其有效地干扰气动弹性的耦合。通过导向叶片4实施成是弯曲的，分度角13不会线性地关于叶片高度变化。在图2中，导向叶片环2也完全由几对形成并且在此也能够考虑的是，在两对之间设置有一个或多个转子叶片3。同样能够考虑的是，交替地设置弯曲实施的导向叶片4和导向叶片3。
[0023]在图3中，导向叶片环2中的每隔一个的导向叶片3、4相对于相应的导向叶片3倾斜。这样弯曲的导向叶片4借助其叶根5交替地朝向一个环周方向或朝向另一个环周方向移动并且借助其叶尖6交替地朝向所述另一个环周方向或朝向所述一个环周方向移动。在图1至3中，导向叶片4相对于导向叶片3的偏转至多为通道14的沿环周方向的可用延伸的10%。得到下述偏转，其中导向叶片3的造型部段沿环周方向移动。导向叶片3的造型部段在此能够位于关于轴线11对称的柱面或锥面上、位于轴流式流体机械I的切向平面中或位于S1流动面上。
[0024]在图4中示出贯穿具有主流动方向21和根据本发明的级22的轴流式流体机械I的纵剖图。级22具有导向叶片环2和设置在导向叶片环2下游的转子叶片环20。分别示出导向叶片18和转子叶片19。同样示出轮毂17，所述轮毂在轴流式流体机械I运行时围绕轴线11转动。导向叶片18安置在壳体7上，转子叶片19安置在轮毂17上。在轴流式流体机械I运行时，在导向叶片环2的下游构成具有不均匀的速度分布的流。由此，转子叶片19的负荷在旋转期间改变，由此有利地减少转子叶片19的颤振。
[0025]用于设计轴流式流体机械I的级22的方法，所述轴流式流体机械具有导向叶片环2和设置在导向叶片环2的下游的转子叶片环20，所述方法优选如下执行:根据空气动力学的和机械的边界条件对导向叶片环2造型，所述导向叶片环具有规则地设置在导向叶片环2的环周上的导向叶片3 ;沿环周方向移动至少一个导向叶片3的至少一个造型部段，使得至少一个导向叶片4和与其相邻设置的导向叶片4的分度角13关于叶片高度发生改变，使得在轴流式流体机械I运行时，在导向叶片环2下游构成的出流在轴流式流体机械的环周上不规则地构成为，使得转子叶片环20的转子叶片19的振动激励是小的。
[0026]虽然本发明的细节通过优选的实施方式详尽地说明和描述，但是本发明不限制于所公开的示例，并且其他的变型形式能够由本领域技术人员从中推导出，而不脱离本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种用于设计轴流式流体机械(I)的级(22)的方法，所述轴流式流体机械具有导向叶片环(2)和设置在所述导向叶片环(2)的下游的转子叶片环(20)，所述方法具有下述步骤: -根据空气动力学的和机械的边界条件对导向叶片环(2)造型，所述导向叶片环具有规则地设置在所述导向叶片环(2)的环周上的导向叶片(3)； -沿环周方向移动至少一个所述导向叶片(3)的至少一个造型部段，使得至少一个所述导向叶片⑷和与其相邻设置的导向叶片⑷的分度角(13)关于叶片高度发生改变，使得在所述轴流式流体机械(I)运行时，在所述导向叶片环(2)的下游构成的出流在所述轴流式流体机械的环周上不规则地构成为，使得所述转子叶片环(20)的转子叶片(19)的振动激励是小的。
2.根据权利要求1所述的方法， 其中在下述移动路径上移动至少一个所述造型部段，所述移动路径对这两个相邻设置的导向叶片(4)中的每一个而言为通道(14)在这两个导向叶片(3)之间在环周方向上的延伸的至多10%。
3.根据权利要求1或2所述的方法， 其中移动所述造型部段，使得所述导向叶片(4)相对于与其相邻设置的导向叶片(4)倾斜。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法， 其中移动所述造型部段，使得两个相邻设置的导向叶片(4)中的至少一个导向叶片实施成是弯曲的。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法， 其中所述导向叶片(4)以围绕所述轴流式流体机械的轴线(11)对称分布的方式设置，造型部段在所述导向叶片中移动。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法， 其中将所述导向叶片(3，4)设计成，使得所述转子叶片(19)的固有频率不会与所述轴流式流体机械(I)的转动频率或多倍的所述转动频率、直至八倍的所述转动频率一致，其中包括八倍的所述转动频率。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法， 其中所述造型部段位于轴线与所述轴流式流体机械(I)的轴线重合的柱面或锥面上、位于S1流动面上或位于所述轴流式流体机械(I)的切向平面中。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法， 所述方法具有下述步骤: -使至少一个所述造型部段匹配于在移动之后发生变化的空气动力学的边界条件。
9.一种用于轴流式流体机械(I)的级， 所述级是借助根据权利要求1至8中任一项所述的方法来设计的。
10.一种轴流式流体机械， 所述轴流式流体机械具有根据权利要求9所述的级(22)，尤其是所述轴流式流体机械(I)的最后的、位于下游的级。
【文档编号】F01D5/14GK104246137SQ201380020389
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年4月5日 优先权日:2012年4月16日
【发明者】克里斯托夫·赫尔曼·里克特, 海因里希·施蒂尔 申请人:西门子公司