專利名稱：渦輪裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于發(fā)電廠之類中的渦輪裝置。
燃?xì)廨啓C(jī)和汽輪機(jī)用來(lái)把高溫燃?xì)夂驼羝臒崮苻D(zhuǎn)換成機(jī)械力或電力。近年來(lái)，渦輪機(jī)制造商的當(dāng)務(wù)之急是提高用作能量轉(zhuǎn)換器的渦輪機(jī)的性能，防止能量被白白浪費(fèi)，防止全球溫室化。
高壓和中壓渦輪機(jī)的葉片高度與渦輪內(nèi)徑之比較小。因此，在這些渦輪機(jī)中，由于一稱為邊界層的區(qū)域的作用較大，因此由二次流造成的損失大，在邊界層處，在渦輪內(nèi)外徑表面上展開的流體的能量小。二次流的生成機(jī)制如下如

圖1所示，流入相鄰兩轉(zhuǎn)子葉片1之間空間中的一流G受到一由從轉(zhuǎn)子葉片1之一的壓力面F到另一轉(zhuǎn)子葉片1的負(fù)壓面B的壓力梯度造成的力的作用。在離開內(nèi)徑表面L和外徑表面M(下文稱為輪轂端壁和頂部端壁)的主流中，由該壓力梯度造成的力與由該流偏轉(zhuǎn)造成的離心力平衡。但是，端壁旁邊界層中的流的動(dòng)能小，因此在由壓力梯度造成的力的作用下如箭頭J所示從壓力面F被帶到負(fù)壓面B。在流程的后面部分中，這些流碰撞負(fù)壓面B后卷起，形成渦流W。渦流W使得低能流體積累在端壁旁邊界層中，從而如圖2所示，在葉片下游生成具有兩個(gè)損失峰值的非均勻流分布。盡管非均勻流最終在葉片下游混合成均勻流流出，但它造成很大能量損失。
有人建議，在葉片整個(gè)高度上用斜面或曲面來(lái)抑制上述二次流，提高渦輪性能。但是按照該建議控制二次流只有在葉片傾斜或彎曲很大時(shí)才有效，傾斜或彎曲很大的葉片造成機(jī)械強(qiáng)度下降，特別如葉片為轉(zhuǎn)子葉片的話。
迄今為止，高壓和中壓渦輪機(jī)為兩維設(shè)計(jì)。但是，隨著計(jì)算機(jī)和流分析方法的發(fā)展，高壓和中壓渦輪機(jī)可使用三維葉片構(gòu)型。三維葉片構(gòu)型使得我們可對(duì)葉片上表為葉片壓力面與負(fù)壓面之間壓力差的負(fù)荷分布進(jìn)行三維控制，從而減小葉片的能量損失。按照葉片的現(xiàn)有三維設(shè)計(jì)，三維葉片由在某一葉片高度上設(shè)計(jì)的多個(gè)兩維葉片葉型沿葉片高度堆積而成。因此，無(wú)法在葉片整個(gè)高度上詳細(xì)控制葉片上的壓力分布。
因此本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種渦輪裝置，其葉片的負(fù)荷分布在三維上受控，以減小能量損失。
按照本發(fā)明，提供一種渦輪裝置，包括一轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子上在一內(nèi)徑表面與一外徑表面之間有多個(gè)渦輪葉片，這些渦輪葉片在內(nèi)徑表面旁為前部或中區(qū)負(fù)荷型，在外徑表面旁為后區(qū)負(fù)荷型。
確切說(shuō)，使渦輪葉片中圓周速度變化率呈三維分布，從而使得渦輪葉片在內(nèi)徑表面旁為前部或中區(qū)負(fù)荷型，在外徑表面旁為后區(qū)負(fù)荷型。
下面說(shuō)明本發(fā)明的形成過(guò)程。
本發(fā)明人著力研究如何才能獲得最佳結(jié)果，為此，在葉片的不同高度上，在由渦輪轉(zhuǎn)子葉片界定的流程的子午方向中找出這樣一個(gè)位置，該位置使得渦輪轉(zhuǎn)子葉片從流體接受的能量最大，也即找出渦輪轉(zhuǎn)子葉片上負(fù)荷最大的位置。為便于分析，沿子午方向把流程分成一前區(qū)、一中區(qū)和一后區(qū)。
如圖3所示，渦輪轉(zhuǎn)子葉片所做的功可表為轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)口和出口處絕對(duì)速度的圓周分量Vθ的變化。轉(zhuǎn)子葉片之間該圓周分量Vθ的變化與可表為轉(zhuǎn)子葉片壓力面與負(fù)壓面之間的壓力差或焓差的負(fù)荷分布有關(guān)，其計(jì)算式為對(duì)于不可壓縮流負(fù)荷分布＝Pp-Ps＝(2π/B)ρW(r·Vθ/m)對(duì)于可壓縮流負(fù)荷分布＝hp-hs＝(2π/B)W(r·Vθ/m)
其中，Pp、Ps分別為壓力面和負(fù)壓面上的靜態(tài)壓力，hp、hs分別為壓力面和負(fù)壓面上的靜態(tài)焓，B為該渦輪裝置的轉(zhuǎn)子葉片數(shù)，ρ為流體密度，W為壓力面和負(fù)壓面上速度平均值，(r·Vθ/m)為轉(zhuǎn)子葉片之間圓周速度隨軸向距離m而變的變化率。這些方程表明，渦輪轉(zhuǎn)子葉片上的負(fù)荷分布與圓周速度變化率有關(guān)；可用圓周速度變化率的值控制負(fù)荷分布。確切說(shuō)，如在轉(zhuǎn)子葉片之間任一位置上提高圓周速度變化率，就可提高該位置上的葉片表面負(fù)荷(Pp-Ps)或(hp-hs)。
因此，按照上述方程，葉片負(fù)荷與渦輪轉(zhuǎn)子葉片軸向上圓周速度的變化率有關(guān)。如果把圓周分量Vθ的正方向定義為轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)動(dòng)方向，則由于在轉(zhuǎn)子葉片之間流程中圓周分量Vθ從轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)口向轉(zhuǎn)子葉片出口減小，因此圓周分量Vθ的變化率為負(fù)值。圖4示出渦輪轉(zhuǎn)子葉片之間圓周分量變化率的分布。一般地，由于圓周分量變化率在開始于轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)口的一區(qū)域中減小，在一中間區(qū)域中保持不變，在一后部區(qū)域中增加，因此在該分布上有兩個(gè)邊界值A(chǔ)、B(下文稱為分支控制點(diǎn))。如圖5所示，其兩個(gè)分支控制點(diǎn)A1、B1位于子午方向流程前區(qū)中的圓周分量變化率分布稱為前區(qū)負(fù)荷型；其第一分支控制點(diǎn)A2位于子午方向流程前區(qū)中、第二分支控制點(diǎn)B2位于子午方向流程后區(qū)中的圓周分量變化率分布稱為中區(qū)負(fù)荷型；其兩個(gè)分支控制點(diǎn)A3、B3位于子午方向流程后區(qū)中的圓周分量變化率分布稱為后區(qū)負(fù)荷型。
當(dāng)轉(zhuǎn)子葉片的中跨和頂部的負(fù)荷分布(前區(qū)、中區(qū)和后區(qū)負(fù)荷型)確定后，在負(fù)荷分布設(shè)定成圖5所示前區(qū)、中區(qū)和后區(qū)負(fù)荷型的轉(zhuǎn)子葉片的底部上對(duì)負(fù)荷分布的作用進(jìn)行了調(diào)查。根據(jù)這些負(fù)荷分布設(shè)計(jì)的葉片的底部的橫截面葉型如圖6所示。用計(jì)算機(jī)對(duì)其底部呈這些橫截面葉型的渦輪轉(zhuǎn)子葉片之間的流進(jìn)行的分析表明，渦輪轉(zhuǎn)子葉片底部即其內(nèi)徑表面旁的速度矢量如圖7所示。從圖7可知，流分離出現(xiàn)在后區(qū)負(fù)荷型葉片之間流程的中部。該流分離從壓力面向負(fù)壓面生成一強(qiáng)大二次流。如圖8所示，后區(qū)負(fù)荷型葉片內(nèi)徑表面(或輪轂端壁表面)旁的能量損失峰值比前區(qū)或中區(qū)負(fù)荷型葉片大。前區(qū)與中區(qū)負(fù)荷型葉片的內(nèi)徑表面上的能量損失峰值之間的差別不大。
如圖9所示，如負(fù)荷分布在葉片頂部設(shè)定成前區(qū)負(fù)荷型和后區(qū)負(fù)荷型并根據(jù)這些負(fù)荷分布如上所述設(shè)計(jì)葉片，則葉片頂部的橫截面葉型如圖10所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子葉片中跨和底部的負(fù)荷分布(前區(qū)、中區(qū)和后區(qū)負(fù)荷型)確定后，計(jì)算前區(qū)和后區(qū)負(fù)荷型葉片出口在其頂部處的損失分布。結(jié)果可看到，如圖11所示，后區(qū)負(fù)荷型葉片的損失峰值比前區(qū)負(fù)荷型葉片小。這是因?yàn)榍皡^(qū)負(fù)荷型葉片負(fù)壓面在轉(zhuǎn)子葉片出口下游長(zhǎng)，從而其邊界層比后區(qū)負(fù)荷型葉片增大。眾所周知，在葉片高度中央，葉片特性介于其底部特性與頂部特性之間。
從上述結(jié)果可知，其底部為前區(qū)或中區(qū)負(fù)荷型、頂部為后區(qū)負(fù)荷型的渦輪葉片可抑制二次流、能量損失最小。本發(fā)明人設(shè)計(jì)了具有這類特性的一種渦輪。
從結(jié)合例示出本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的附圖的下述詳細(xì)說(shuō)明中可清楚看出本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。
圖1為示出現(xiàn)有渦輪轉(zhuǎn)子葉片上產(chǎn)生流損失的立體示意圖；圖2為現(xiàn)有渦輪轉(zhuǎn)子葉片上的損失分布圖；圖3示出渦輪轉(zhuǎn)子葉片所做的功；圖4示出現(xiàn)有渦輪轉(zhuǎn)子葉片之間圓周速度變化率分布；圖5示出現(xiàn)有渦輪轉(zhuǎn)子葉片之間圓周速度變化率分布在輪轂處的各種類型；圖6示出根據(jù)圖5所示負(fù)荷分布設(shè)計(jì)的葉片的底部的橫截面葉型；圖7示出對(duì)具有圖6所示橫截面葉型的渦輪轉(zhuǎn)子葉片之間的流進(jìn)行分析所得結(jié)果；圖8示出其渦輪轉(zhuǎn)子葉片呈圖6所示橫截面葉型的渦輪中的損失分布；圖9示出現(xiàn)有渦輪轉(zhuǎn)子葉片之間圓周速度變化率分布在頂部處的各種類型；圖10示出根據(jù)圖9所示負(fù)荷分布設(shè)計(jì)的葉片的頂部的橫截面葉型；圖11示出對(duì)具有圖10所示橫截面葉型的渦輪轉(zhuǎn)子葉片之間的流進(jìn)行分析所得結(jié)果；圖12示出本發(fā)明一實(shí)施例的負(fù)荷分布；圖13示出本發(fā)明該實(shí)施例的葉片葉型；圖14示出本發(fā)明該實(shí)施例的三維葉片葉型；圖15示出現(xiàn)有三維葉片葉型；圖16示出內(nèi)徑表面處轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)口邊與各徑向位置上轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)口邊之間的圓周距離沿徑向的變化；圖17示出轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)口處的喉部的寬度沿徑向的變化。
下面詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例的渦輪裝置。圖12示出對(duì)內(nèi)外徑之比為1.33的一渦輪裝置根據(jù)上述原理所確立的負(fù)荷分布。渦輪葉片在其底部為中區(qū)負(fù)荷型，其第一分支控制點(diǎn)Ah在子午距離的約17％處，第二分支控制點(diǎn)Bh在子午距離的約65％處。渦輪葉片在其頂部為后區(qū)負(fù)荷型，其第一分支控制點(diǎn)At在子午距離的約70％處，第二分支控制點(diǎn)Bt在子午距離的約83％處。渦輪葉片在其底部與頂部之間中點(diǎn)(中跨)處為中后區(qū)負(fù)荷型，其第一分支控制點(diǎn)Am在子午距離的約47％處，第二分支控制點(diǎn)Bm在子午距離的約83％處。
整個(gè)葉片上的負(fù)荷分布用在葉片底部、中跨和頂部如此確立的負(fù)荷分布內(nèi)插而成。因此，當(dāng)在葉片底部、中跨和頂部如此確立負(fù)荷分布后，整個(gè)葉片上的負(fù)荷分布可在三維上合適確立。圖13示出這些渦輪葉片在底部、中跨和頂部處的橫截面葉型。
圖14示出在從底部到頂部的流程上確立各不同最大負(fù)荷位置后所生成的三維葉片葉型，在中跨處做的功比邊界層起較大作用的底部和頂部處大。在圖14中，沿流的流動(dòng)方向示出渦輪轉(zhuǎn)子葉片。從圖14可見(jiàn)，進(jìn)口邊沿徑向彎曲。在圖14中，S1表示內(nèi)徑表面處轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)口邊與各徑向位置上葉片進(jìn)口邊之間的圓周距離。圖15示出其負(fù)荷分布不受三維控制的現(xiàn)有三維葉片葉型的一比較例。
圖16示出用S1除以節(jié)距得出的S1/節(jié)距無(wú)量綱值沿徑向的變化。在本發(fā)明轉(zhuǎn)子葉片中，以內(nèi)徑表面上的轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)口邊為準(zhǔn)，在比r/rh＜1.15的區(qū)間中，轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)口邊位于轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反一邊上。比r/rh定義為轉(zhuǎn)子葉片的直徑與內(nèi)徑之比。在1.15＜r/rh的區(qū)間中，轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)口邊位于轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)動(dòng)方向同一邊上。
如圖17所示，現(xiàn)有葉片的葉片進(jìn)口的喉部的距離O1從內(nèi)徑表面到外徑表面以不變比率增加。在本發(fā)明轉(zhuǎn)子葉片中，用O1除以節(jié)距得出的O1/節(jié)距無(wú)量綱值的增加率在比r/rh＜1.15的區(qū)間中為約0.45，在1.15＜r/rh的區(qū)間中為約1.3，并沿徑向單調(diào)增加。
因此本發(fā)明渦輪裝置靠葉片上負(fù)荷分布的三維控制而減小流體流損失，效率和性能提高。
盡管以上示出、詳細(xì)說(shuō)明了本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例，但應(yīng)看到，可在權(quán)利要求的范圍內(nèi)作出種種改動(dòng)和修正。
權(quán)利要求
1.一種渦輪裝置，包括一轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子上在一內(nèi)徑表面與一外徑表面之間有多個(gè)渦輪葉片，其特征在于，這些渦輪葉片在內(nèi)徑表面旁為前區(qū)或中區(qū)負(fù)荷型，在外徑表面旁為后區(qū)負(fù)荷型。
2.按權(quán)利要求1所述的渦輪裝置，其特征在于，渦輪葉片子午向圓周速度變化率分布在其內(nèi)徑表面處在渦輪葉片的子午距離的0-20％的區(qū)間中減小，在渦輪葉片的子午距離的20-50％的區(qū)間中保持不變，在渦輪葉片的子午距離的50-100％的區(qū)間中增加到0。
3.按權(quán)利要求2所述的渦輪裝置，其特征在于，渦輪葉片子午向圓周速度變化率分布在其中跨處在渦輪葉片的子午距離的0-50％的區(qū)間中減小，在渦輪葉片的子午距離的50-70％的區(qū)間中保持不變，在渦輪葉片的子午距離的70-100％區(qū)間中增加到0。
4.按權(quán)利要求2所述的渦輪裝置，其特征在于，渦輪葉片子午向圓周速度變化率分布在其外徑表面處在渦輪葉片的子午距離的50-70％的區(qū)間中減小，在渦輪葉片的子午距離的70-100％區(qū)間中增加到0。
5.一種渦輪裝置，包括一轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子上在一內(nèi)徑表面與一外徑表面之間有多個(gè)渦輪葉片；以及內(nèi)徑表面與外徑表面的直徑之比為1.2-1.4；其特征在于，以內(nèi)徑表面上的轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)口邊為準(zhǔn)，在r/rh＜1.15的區(qū)間中，轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)口邊位于轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反一邊上；在1.15＜r/rh的區(qū)間中，轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)口邊位于轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)動(dòng)方向同一邊上；其中，r/rh定義為轉(zhuǎn)子葉片的直徑與內(nèi)徑之比。
6.一種渦輪裝置，包括一轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子上在一內(nèi)徑表面與一外徑表面之間有多個(gè)渦輪葉片，以及內(nèi)徑表面與外徑表面的直徑之比為1.2-1.4；其特征在于，流程中在轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)口處的喉部寬度沿徑向的變化率在r/rh＜1.15的區(qū)間中為約0.45的一恒定值；在1.15＜r/rh的區(qū)間中為約1.3的另一恒定值；其中，r/rh定義為轉(zhuǎn)子葉片的直徑與內(nèi)徑之比。
全文摘要
一種渦輪裝置,包括一轉(zhuǎn)子,該轉(zhuǎn)子上在一內(nèi)徑表面與一外徑表面之間有多個(gè)渦輪葉片。這些渦輪葉片在內(nèi)徑表面旁為前區(qū)或中區(qū)負(fù)荷型,在外徑表面旁為后區(qū)負(fù)荷型。
文檔編號(hào)F01D5/14GK1276466SQ0010903
公開日2000年12月13日 申請(qǐng)日期2000年6月5日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月3日
發(fā)明者渡邊啟悅, 原田英臣 申請(qǐng)人:株式會(huì)社荏原制作所