專利名稱：蒸汽渦輪機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及旋轉熱工機械領域，特別是蒸汽渦輪機，其導向葉片具有在葉 片高度上符號變換的后掠角。
背景技術：
在非常大的蒸汽渦輪機的最后一級的導向葉片上在出口側主要存在超音速 流。通常通過導向葉片的迎角弓胞的對流動角的影響在這里很大程度上通過超 聲波膨脹和振動前沿確定。此外設計者面對這種情況，即分級反作用度不希望 地承受徑向強變化。存在影響這些參數(shù)的不同方案，例如通過使用在葉片高度
上扭轉葉片型面(英語"twist")、葉身在切向或者周向上傾斜(英語"lean") 和使用特殊的超聲波翼型。此外，葉身可以具有后掠或者在子午線平面上的傾 斜(英語"sweep")以影響流動。最后所稱的傾斜典型地通過子午線平面中的 后掠角("sweep angle")提供，該后掠角M相對于轉子軸線的半徑和與處于 子午線平面中的葉身相切的切線包圍，其中，重要的是角的符號^^半徑測量。 然而在此方面其他自身的相關的流動參數(shù)同樣改變。此外，在大型蒸汽渦輪機 中，輪轂和外殼半徑的巨大變化導致特殊的流動結構，它們很難采用葉片的局 部傾斜和定位來控制，以達到徑向流動角和反作用度分布方面的設定目標。
在US-A-5,906，474中提出，為提高蒸汽渦輪t腿后一級導向葉片中的效率， 在葉身與基面之間的過渡區(qū)域上設置倒圓的棱角。
相反，在WO-A卜2005/005784中提出，渦輪機葉片(無論是導向葉片還是 轉子葉片)設有后掠，其在轉子側和定子側的葉片邊緣區(qū)域為負而在其之間的 中間區(qū)域內變?yōu)檎?br>
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于，對開頭所述類型的蒸汽渦輪機進行如下優(yōu)化，使分級 反作用度得到改善。
該目的通過權利要求1的特征的整體得以實現(xiàn)。對本發(fā)明重要的是，最后 一級導向葉片的后掠S形地構成，方法是后掠角g無在外殼側(也就是與定子相
4鄰接)也在輪轂側(也就是與轉子相鄰接)為正，而在導向葉片的中間高度上 則為負。在此方面，正的后掠角通過從相對于轉子軸線的半徑到與子午線平面
中的導向葉片相切的切線沿順時針的觀懂方向確定，負的后掠角相應i頓過從
相對于轉子軸線的舉徑到與導向葉片相切的切線沿逆時針的測量方向確定。
依據(jù)本發(fā)明的蒸汽渦輪機最后一級導向葉片的S形后掠特別適用于有效控 制葉片之間的壓力和剩余的動能。主要的空氣動力學作用在于，通過改變到轉
子葉片的入流角，陶,IU:的分級反作用和相反加大葉片尖上的分級反作用。
最后一級后續(xù)轉子葉片出口處的輸出功和壓力分布在此方面跟隨同一模式。動 能有利地得到降低。通過本發(fā)明在不增加二次流動的情況下達到改進葉片設計 的目的。
本發(fā)明的設計方案的特征在于，最后一級的導向葉片具有前緣、后緣和重
心線，其中，無論是前緣、后緣還是重心線各自均具有依據(jù)本發(fā)明S形的后掠。 特別是后掠角的 于相對葉片高度的S形分布對于前緣、后緣和重心線在后 掠角在葉片高度上從正向負和重新向正的分布的意義上相似。
本發(fā)明另一種設計方案的特征在于，最后一級的導向葉片具有前緣、后緣 和重心線，其中，^H條線條中的兩條具有依據(jù)本發(fā)明的S形的后掠。在這種 情況下，三條線條中的兩條線條的后掠的S形分布在上述意義上也相似。
本發(fā)明另一種設計方案的特征在于，最后一級的導向葉片具有前緣、后緣 和重心線，其中，要么沿后緣、前緣，要么重心線具有依據(jù)本發(fā)明S形的后掠。
在本發(fā)明的另一種設計方案中，導向葉片的后緣分別具有依據(jù)本發(fā)明S形 的后掠。這種設計方案的特別優(yōu)點是，與分級反作用相關的作用最大。
在本發(fā)明的一種設計方案中，后掠角在輪轂側也就是與轉子相鄰接以及在 外殼側也就是與定子相鄰接處于10。與25。之間的范圍內，并且在中間高度上處 于0°與-15°之間的范圍內。此外，后掠角 在30%-80%的相對葉片高度的范 圍內為負。
在本發(fā)明的一種設計方案中，后掠角在輪轂側也就是與轉子相鄰接以及在 外殼側也就是與定子相鄰接處于13。與20。之間的范圍內，并且在中間高度上處 于-6°與-10°之間的范圍內。此外，后掠角 在30%-80%的相對葉片高度的范 圍內為負。
為同時影響流動參數(shù)，本發(fā)明的設計方案除了最后一級導向葉片中的后掠還在周向上也就是在與蒸汽渦輪機轉子相切的方向上具有傾斜度("lean"),其 中，特別是傾斜角在葉片高度上變化，例如從輪轂向外殼下降，確切地說具有 負增長的傾斜角。在此方面，在蒸汽通過渦輪機流動的方向上觀察，正的傾斜 角通過從相對于轉子軸線的半招頓時針到與導向葉片相切的切線的角度定義， 并且負的傾斜角相應J4ffi過從相對于轉子軸線的半〗，時針到與導向葉片相切 的切線的角度定義。
在本發(fā)明的另一種設計方案中，后緣線的傾斜角在切向上或者在周向上并 且關于相對于渦輪機轉子軸線的半徑在輪轂側在+5°與-5°之間變化并且在外殼 側在-10°與+5°之間變化。
在本發(fā)明的另--種設計方案中，導向葉片附加地具有相對于轉子軸線徑向 變化的節(jié)距比，其中，該節(jié)距比隨著葉片高度的增加而提高。節(jié)距比等于沿著 圓周線在葉柵環(huán)中的相鄰導向葉片之間的節(jié)距或者距離與導向葉片的弦的長度 之間的比率。特別是節(jié)距比在輪Hh的葉片高度為零時具有處于0.4至ij0.5的范
圍內的數(shù)值并在葉片根部處外殼中的最大葉片高度上具有處于0.45到0.65的范 圍內的數(shù)值。


下面借助實施例結合附圖對本發(fā)明進4雅細說明。其中
圖1示出依據(jù)本發(fā)明的實施例的具有S形后掠導向葉片的進一步開發(fā)的蒸
汽渦輪機的最后一級中的截取部分-,
圖2示出依據(jù)本發(fā)明的實施例的不同后掠角與S形后掠的導向葉片的相對
高度的關系的曲線圖3a示出依據(jù)本發(fā)明的實施例的傾斜角5的依賴于S形后掠的導向葉片的
相對高度的區(qū)域；
圖3b示出蒸汽渦輪機葉片的任意線條的傾斜角的圖示；
圖3c示出依據(jù)本發(fā)明在蒸汽渦輪機導向葉片后緣上傾斜角5的依賴于葉片
高度的數(shù)值；
圖4a示出依據(jù)本發(fā)明的蒸汽渦輪機導向葉片的依賴于相對葉片高度的節(jié)距
比；
圖4b示出圖4a中所使用的節(jié)距比的圖示。
具體實施例方式
6圖1示出了蒸汽渦輪機10最后一級中的截取部分，其包括可圍繞渦輪機轉 子軸線17旋轉的具有轉子葉片14、 15的轉子11 ，該轉子被定子12同心地相距 地環(huán)繞。在依次相隨的轉子葉片14、 15組之間設置了固定的導向葉片16組， 借助其為后面的轉子葉片組15使在轉子11與定子12之間的環(huán)形通道13內流 動的蒸汽流20轉向。
依據(jù)本發(fā)明，導向葉片16具有在相對葉片高度上變換后掠角on、 a2、 (X3的 后掠(葉片高度h在輪轂上開始并涉及最大高度hj。角度從與渦輪機轉子軸線 17垂直的半徑上開始并在與導向葉片16上的基準線、在這里是葉片的后緣16a 相切的子午線切線上結束地測量。如果測量方向順時針的話角度為正，而如果 測量方向逆時針的話角度為負。依據(jù)本發(fā)明，與轉子鄰接(位置P1)的后掠角 c^和與定子鄰接(位置P3)的后掠角(X3為正，其中，在導向葉片16的中間高 度(位置P2)的后掠角(X2為負。由于角度在葉片高度上變換的符號，產(chǎn)生一種 S形構成的后掠。在所示的實施例中，后掠既在后緣16a上、前緣16b上，也沿 導向葉片16的重心線S形地構成。
在另一種設計方案中，如上所述，葉片的三條基準線(后緣、前緣、重心 線)中的僅僅一條或者三條基準線中的兩條具有這種類型的后掠。
現(xiàn)借助圖2中前緣(B)、后緣(a)和重心線(e)的依賴于相對葉片高度 h/hm的后掠角復述后掠的一種，構成。后掠在所有三種情況中均為S形。特 別是后掠角fi或y或a的依賴于相對葉片高度h/K的曲線分布對于前緣16b、 后緣16a和重心線相似。與轉子11相鄰接(Pl)和與定子12相鄰接(位置P3) 的后掠角a、 B和e處于13。和20。之間的范圍內。在中間高度(位置P2)上， 后掠角處于-6°和-10°之間的范圍內。正如從圖2可以看出的，后掠角在30% - 80% 的相對葉片高度h/^的范圍內為負。
在另一種設計方案中，后掠角在中間高度(位置P2)中處于0。和15。之間 的范圍內，并且后掠角在邊緣區(qū)域(位置P1和P3)中處于10°到25。之間的范 圍內。
導向葉片16的后掠涉及經(jīng)過機器軸線或者渦輪機轉子軸線17的子午線平 面，而導向葉片16在周向上也就是在與機器軸線17垂直的平面中并關于相對 于渦輪機轉子軸線17的半徑傾斜。在這種類型的在葉片高度上變化的并且符號 變化的傾斜中產(chǎn)生一種曲率。圖3a示出了本發(fā)明的實施例中傾斜角可以關于相對葉片高度運動的區(qū)域。在葉片高度為零(在輪IU:)時，傾斜角處于-5°與+5° 之間的范圍內，而在完整的葉片高度中則處于-10°與+5°之間的范圍內。圖3b示 出了在不同的葉片高度上葉片任意線條或者棱邊的傾斜角&、 & 53禾054。角度 各自在通過所選擇線條上的點的半t^J:開始并在相關點上與該線條相切的切線 上結束地進行測量，其中，角衝頓時針測量為正(54)并且角度逆時針測量為負 (&、 52、 53)。圖3c示出了在本發(fā)明的-一種實施例中對于后緣16a^^、于相對 高度h/hm的局部傾斜角S。
在本發(fā)明的另一實施例中，蒸汽渦輪機的導向葉片附加地具有隨葉片高度 變化的節(jié)距比，該節(jié)距比通過相鄰的導向葉片之間的節(jié)距與弦長的比率定義。 圖4a示出在平面上投影的葉柵環(huán)的幾個導向葉片以及相鄰的導向葉片16之間 的節(jié)距T以及弦長S，它們對節(jié)距比T/S是重要的。圖4b示出了作為相對葉片 高度h/hm的函數(shù)的節(jié)距比T/S的數(shù)值范圍。在葉片高度最小時，節(jié)距比在0.4 與0.5之間的范圍內運動，而在葉片高度最大時，則在0.45與0.65之間的范圍 內運動。
附圖標記列表
10 蒸汽渦輪機
11 轉子
12 定子
13 環(huán)形通道 14、 15 轉子葉片
16 導向葉片
16a 導向葉片的后緣
16b 導向葉片的前緣
17 機器軸線 20 蒸汽流
h 葉片高度
hm 最大葉片高度
8S、、 52、 53、 54 傾斜角
S 弦長
Pl、 ...、 P3 位置
B 后掠角(前緣)
e 后掠角(重心線)
a、 a!、 a2、 a3 后掠角(后緣)。
權利要求
1. 蒸汽渦輪機(10)，具有圍繞機器軸線(17)旋轉的轉子(11)和同心地相距地環(huán)繞轉子(11)的定子(12)，在它們之間形成在軸向上由蒸汽(20)通流的環(huán)形通道(13)，并且在環(huán)形通道內分多級地設置多個固定在轉子(11)上的轉子葉片(14、15)和固定的導向葉片(16)，其中，最后一級的導向葉片(16)具有帶有在相對葉片高度(h/hm)上變換的后掠角(α、α1、α2、α3、β、ε)的后掠，其特征在于，所述后掠利用后掠角(α、α1、α2、α3、β、ε)S形地構成，該后掠角既與定子(12)相鄰接也與轉子(11)相鄰接為正，而在導向葉片(16)的中間高度上則為負。
2. 按權利要求1所述的蒸汽渦輪機(10)，其特征在于，最后一級的導向 葉片(16)具有前緣(16b)、后緣(16a)和重心線，并且S形的后掠沿前緣(16b)、 后緣(16a)和重心線分布。
3. 按權利要求1所述的蒸汽渦輪機(10)，其特征在于，最后一級的導向 葉片(16)具有前緣(16b)、后緣(16a)和重心線，并且S形的后掠沿三條線 條即后緣、前緣和重心線中的兩絲布。
4. 按權利要求1所述的蒸汽渦輪機(10)，其特征在于，最后一級的導向 葉片(16)具有前緣(16b)、后緣(16a)和重心線，并且S形的后掠要么沿后 緣、前緣，要么沿重心線分布。
5. 按權利要求1所述的蒸汽渦輪機(10)，其特征在于，最后一級的導向 葉片(16)具有后緣(16a)并且S形的后掠沿后緣(16a)分布。
6. 按權利要求3或4所述的蒸汽渦輪機(10)，其特征在于，所述后掠角 (a、 ai、 ot2、 a3、 B、 s)的，于相對葉片高度(MU的曲線分布對于前緣(16b)、后緣(16a)和重心線相似。
7. 按權利要求3 - 5之一所述的蒸汽渦輪機(10)，其特征在于，與轉子 (11)相鄰接和與定子(12)相鄰接的后掠角(a、 a" a2、 a3、 B、 e)處于13°與20。之間的范圍內，并且在中間高度上處于-6°與-10。之間的范圍內。
8. 按權利要求3 - 5之一所述的蒸汽渦輪l幾(10)，其特征在于，與轉子 (11)相鄰接和與定子(12)相鄰接的后掠角(a、 ai、 a2、 a3、 fi、 e)處于10°與25。之間的范圍內，并且在中間高度上處于0°與-15°之間的范圍內。
9. 按權利要求1 - 8之一所述的蒸汽渦輪機(10)，其特征在于，所述后 掠角(a、 ai、 a2、 a3、 B、 ￡)在30% - 80%的相對葉片高度(D的范圍內為 負。
10. 按權禾腰求1 - 9之一所述的蒸汽渦輪機(10)，其特征在于，最后一 級的導向葉片(16)在周向上關于相對于渦f^機轉子軸線(17)的半徑具有傾 斜度(5)。
11. 按權利要求10所述的蒸汽渦輪機(10)，其特征在于，所述傾斜角(5) 在葉片高度(h)上變化。
12. 按權利要求11所述的蒸汽渦輪機(10)，其特征在于，所述傾斜角在 葉片高度(h)上從蒸汽渦輪機的輪轂向外殼不斷減小。
13. 按權利要求11所述的蒸汽渦輪機(10)，其特征在于，所述后緣(16a) 的傾斜角(5)關于相對于蒸汽渦輪機的轉子軸線(17)的半徑在葉片高度(h) 最小時處于-5°與+5°之間的范圍內并在葉片高度(h)最大時處于-10°與+5°之間 的范圍內。
14. 按前述權利要求之一所述的蒸汽渦輪機(10)，其特征在于，所述蒸汽 渦輪機(10)最后一級導向葉片(16)的節(jié)距比(T/S)在葉片高度(h)最小 時處于0.4與0.5之間的范圍內并在葉片高度(h)最大時處于0.45與0.65之間的范圍內。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種蒸汽渦輪機，具有圍繞機器軸線(17)旋轉的轉子(11)和同心地相距地環(huán)繞轉子(11)的定子(12)，在它們之間形成了在軸向上由蒸汽(20)通流的環(huán)形通道(13)，并且在環(huán)形通道內分多級設置了多個固定在轉子(11)上的轉子葉片(14、15)和固定的導向葉片(16)，其中，最后一級的導向葉片(16)具有帶有在相對葉片高度(h/h_m)上符號變換的后掠角(α₁、α₂、α₃)的后掠。在該蒸汽渦輪機中，不改變二次流動而改進葉片設計的目的由此實現(xiàn)，即后掠利用后掠角(α₁、α₂、α₃)S形地構成，該后掠角既與定子(12)相鄰接也與轉子(11)相鄰接為正，而在導向葉片(16)的中間區(qū)域內則為負。
文檔編號F01D9/02GK101476493SQ200810189588
公開日2009年7月8日 申請日期2008年11月7日 優(yōu)先權日2007年11月9日
發(fā)明者M·拉克赫爾, R·格雷姆 申請人:阿爾斯托姆科技有限公司