專利名稱：用于減小減少負載振動的末級葉片設(shè)計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及渦輪，且更具體地，涉及蒸汽渦輪的末級葉片。
背景技術(shù)：
蒸汽渦輪的末級葉片或“動葉”(LSB)設(shè)計有與平板相似的末端(tip)區(qū)段。末端區(qū)段的定向根據(jù)轉(zhuǎn)速與半徑比與切線方向或多或少閉合地對齊，以與在外部細流徑向位置處的流動方向匹配。末端區(qū)段的精確定向通過在設(shè)計點或其附近的流動分析來確定。但是，蒸汽渦輪需要相對于設(shè)計點以很低的流量和高排放壓力來運轉(zhuǎn)，以分別適應(yīng)負載要求和大氣條件。這導(dǎo)致在動葉末端處的流動方向和速度的顯著偏差，從而引起流致振動(FIV)，一旦負傾角的閾值被超過，流致振動便可能損壞和限制操作靈活性。圖2以流速矢量示出了在末端處的典型蒸汽渦輪末級幾何形狀，且圖3示出了從末端徑向向內(nèi)觀察的末級葉片區(qū)段的更詳細的視圖。在與輕負載和/或高排放壓力相關(guān)的蒸汽潤輪減少負載(turndown)條件下,在葉片或動葉末端處的流動在量級和方向兩者上都明顯偏離設(shè)計點。當(dāng)方向從設(shè)計最佳進入角朝與葉片旋轉(zhuǎn)相對的切向方向改變時，該量級增大并在無流動的極限內(nèi)達到葉輪速度矢量W的量級。如果減少負載明顯，則定義為最佳進入角與實際流動方向之差的流動傾角可以超過15度并引起與翼形凹側(cè)或壓力側(cè)流動分離和失速相關(guān)的提高的FIV。圖4是葉片或動葉末端流動傾角與出口環(huán)形空間中的平均流速(Van)的關(guān)系的曲線圖。該曲線圖表明，在約15度的傾角下，若結(jié)構(gòu)阻尼低，則FIV、顫振、或更具體而言失速顫振開始。失速顫振可以引起葉片的短期失效。用于避免可能發(fā)生失速顫振的減少負載狀況的操作指南是行業(yè)的標(biāo)準慣例。一定程度上更溫和的FIV行為、也稱為“隨機共振響應(yīng)”的振動可以以相同的傾角閾值發(fā)生并已與在較長的操作時段的葉片失效和/或葉片連接失效相關(guān)。希望使在減少負載條件下的FIV最小化，其可以通過對半徑比和速度的適用范圍修改末端設(shè)計來實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
一種渦輪動葉包括具有翼形形狀的截面的動葉翼形。該動葉從根端至末端扭轉(zhuǎn)。扭轉(zhuǎn)程度限定末端相對于切向方向在10-15°的范圍內(nèi)的累積角偏離，由此相對于切向方向?qū)⑦^量負傾角減小15-20°。在另一示例性實施例中，一種渦輪包括轉(zhuǎn)子、隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的可旋轉(zhuǎn)軸、以及與可旋轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)子聯(lián)接的渦輪。該渦輪包括多個軸向地隔開的轉(zhuǎn)子葉輪。多個動葉與各轉(zhuǎn)子葉輪聯(lián)接，其中各動葉具有翼形形狀的截面。末級動葉從根端至末端扭轉(zhuǎn)，并且扭轉(zhuǎn)程度限定末端相對于切向方向在10-15°的范圍內(nèi)的累積角偏離，由此相對于切向方向?qū)⑦^量負傾角減小 15-20。。在又一示例性實施例中，一種減小在末級渦輪動葉中的流致振動的方法包括以下步驟:使渦輪動葉以限定末端相對于切向方向在10-15°的范圍內(nèi)的累積角偏離的程度扭轉(zhuǎn)，由此相對于切向方向?qū)⑦^量負傾角減小15-20°。


圖1是冷凝蒸汽渦輪的低壓區(qū)段、即具有低于大氣壓的排放壓力的蒸汽渦輪區(qū)段的局部剖切透視 圖2示出了在末端處的典型蒸汽渦輪末級幾何形狀，指出了設(shè)計和偏離設(shè)計的動葉末端進入速度；
圖3示出了從末端徑向向內(nèi)觀察的末級葉片區(qū)段的詳 圖4是葉片末端流動傾角與出口環(huán)形空間中的平均流速之間的關(guān)系的曲線圖；以及圖5和圖6將末級動葉現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(圖5)與所述的實施例的末級動葉設(shè)計(圖6)進行了比較。部件列表
10低壓(LP)蒸汽渦輪段 12轉(zhuǎn)子 14軸
16末級動葉(LSB)排 18轉(zhuǎn)子葉輪 20動葉 22靜止噴嘴 24蒸汽 26入口 201根端 202末端。
具體實施例方式圖1是包括轉(zhuǎn)子12和末級動葉(LSB)排16的低壓(LP)蒸汽渦輪區(qū)段10的局部剖切透視圖，該轉(zhuǎn)子12包括軸14。LP渦輪10包括多個軸向隔開的轉(zhuǎn)子葉輪18。多個動葉20機械地聯(lián)接到各轉(zhuǎn)子葉輪18上。更具體而言，動葉20以圍繞各轉(zhuǎn)子葉輪18周向延伸的排布置。多個靜止噴嘴22圍繞轉(zhuǎn)子12周向延伸并且軸向定位在動葉20的相鄰排之間。噴嘴22與動葉20協(xié)作以形成渦輪級并限定通過渦輪10的蒸汽流動路徑的一部分。在操作中，蒸汽24進入渦輪10的入口 26并且被引導(dǎo)通過噴嘴22。噴嘴22將蒸汽24對著動葉20向下游引導(dǎo)。蒸汽24穿過其余的級，在動葉20上賦予使轉(zhuǎn)子12旋轉(zhuǎn)的力。渦輪10的至少一端可離開轉(zhuǎn)子12軸向延伸并且可附接至諸如但不限于發(fā)生器和/或另一渦輪的負載或機械(未示出)。因此，大型蒸汽渦輪單元實際上可包括全部同軸地聯(lián)接到同一軸14上的若干低壓渦輪。這種單元例如可包括聯(lián)接到中壓渦輪上的高壓渦輪，該中壓渦輪聯(lián)接到低壓渦輪上。減少負載FIV區(qū)域的意義在于，在低流量和高排放壓力的條件下，通過LSB通路的流在轂處分離并在徑向高度的大約80%與100%之間被限制為細流(其中徑向高度定義成在動葉的根端201處為0%并且在動葉的末端202處為100%)。因此，減少負載FIV流動傾角主要在此區(qū)域內(nèi)有意義。限制的流動角度是可以實現(xiàn)的流動角度的最高值。為了發(fā)生顯著的FIV，經(jīng)常取作徑向高度的最后20%上的分布的平均值的LSB末端最佳進入角度(OEA)與180度之差必須超過負15度。因此，具有165或更大的末端OEA的LSB設(shè)計不應(yīng)當(dāng)經(jīng)歷減少負載FIV。用于3600 rpm應(yīng)用的40〃LSB非常接近該標(biāo)準，而33.5〃、30〃和26〃以逐漸增大的過量負傾角在相同的轉(zhuǎn)速下具有增加的減少負載FIV的可能性。使用應(yīng)變計現(xiàn)場取得的數(shù)據(jù)總結(jié)性地論證了 30〃LSB振動振幅在類似的減少負載運轉(zhuǎn)條件下明顯大于33.5〃的振動振幅，從而傾向于確認此理論。在大約40::徑向高度以上，對于3600rpm設(shè)計，一般預(yù)期對于通過現(xiàn)有技術(shù)空氣動力學(xué)設(shè)計方法設(shè)計的動葉而言無法實現(xiàn)所需的15度負傾角，因為此類LSB將具有大于165度的末端0ΕΑ。對于具有基于速度可從3600rpm設(shè)計量度的有效長度的全速和半速動葉，同樣是這種情況。例如，在3000rpm下，具有徑向高度=(3600/3000) X 35::= 42::的動葉的減少負載FIV可能性也應(yīng)當(dāng)?shù)?。圖5和圖6示出了現(xiàn)有技術(shù)30::設(shè)計(圖5)和反映了所提出的設(shè)計的思想的30::設(shè)計(圖6)。所提出的設(shè)計增加了導(dǎo)葉在30%與60%高度范圍之間的區(qū)段中的扭轉(zhuǎn)，從而引起末端區(qū)段的大小約為13度的累積角·偏離。這與過量負傾角減小17度一致，從而極大地降低了 FIV可能性。實現(xiàn)重新定向末端的相同結(jié)果的備選方式可以是在較接近根部的區(qū)段中加入所需的扭轉(zhuǎn)并在末端附近提供相對小的區(qū)段對區(qū)段扭轉(zhuǎn)。性能分析可伴隨任何最終設(shè)計以確定用于設(shè)計點性能的最佳進入角度的最佳分布，同時確保實現(xiàn)在末端處的最小過量負傾角的目標(biāo)。最終結(jié)果將是具有如圖6中所示的末端定向的LSB設(shè)計。除優(yōu)化最佳進入角度分布以滿足性能和FIV減小目標(biāo)外，葉片的前緣可以是切成圓角的(radiused)以減小正傾角性能敏感度。該設(shè)計適用于結(jié)合了銷和指狀件、燕尾件、彎曲或直的軸向進入燕尾件或切向方向進入型燕尾件(后者在葉輪中包括徑向凹部以容許裝配)和銷塊或開槽葉片以完全充填葉輪的LSB設(shè)計。該設(shè)計適用于屬于“獨立”型(即，相鄰的翼形之間無連接)的LSB以及具有中跨和/或末端圍帶連接的LSB。此外，末級噴嘴可保持與具有從根部至末端的傳統(tǒng)區(qū)段扭轉(zhuǎn)的LSB的設(shè)計相同，或者已調(diào)節(jié)在從根部合理地移除的位置Γ25%)開始的喉部開口以保留低根部反作用。該調(diào)節(jié)應(yīng)該確保LSB進入流動角度在所有徑向位置盡可能接近LSB金屬區(qū)段優(yōu)選的進入角度?？商娲?，可采用完全重新設(shè)計的噴嘴。調(diào)節(jié)或重新設(shè)計的噴嘴將確保最高可能的級性能。文中所述的LSB設(shè)計方案可以適用于傳統(tǒng)以及高排放壓力設(shè)計，后者具有動力設(shè)施中帶有在高環(huán)境溫度條件下操作的空氣冷卻式冷凝器的蒸汽渦輪所需的更高的排放壓力極限。所述的實施例用于通過翼形重新設(shè)計減小導(dǎo)致偏離設(shè)計的振動的流致力。翼形末端區(qū)段設(shè)計成使得在減少負載條件下大幅緩和了失速流。具體地，這通過以規(guī)定角度指定相對于切向方向的末端區(qū)段傾斜來完成。結(jié)果，增大了安全操作范圍，為客戶提供了更多自由度和對負載要求的響應(yīng)，尤其是在熱氣候中。此外，尤其在客戶使渦輪超出制造商推薦極限運轉(zhuǎn)的情況下提高了末級動葉可靠性。盡管已結(jié)合目前被認為最實用且優(yōu)選的實施例對本發(fā)明進行了描述，但應(yīng)該理解的是，本發(fā)明并不限于所公開的實施例，而是相反地旨在涵蓋被包括在所附權(quán)利要求的精神范圍內(nèi)的各種變型和等效布置。
權(quán)利要求
1.一種包括具有翼形形狀的截面的動葉翼形的渦輪動葉，所述渦輪動葉從根端至末端扭轉(zhuǎn)，其中，扭轉(zhuǎn)程度限定了所述末端相對于切向方向在10-15°的范圍內(nèi)的累積角偏離，由此相對于所述切向方向?qū)⑦^量負傾角減小15-20°。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪動葉，其特征在于，所述扭轉(zhuǎn)程度限定所述末端的13°的累積角偏離，由此將過量負傾角減小17°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪動葉，其特征在于，所述渦輪動葉包括前緣，所述前緣是切成圓角的以減小正傾角性能敏感度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪動葉，其特征在于，高度尺寸定義成在所述根端處為0%高度和在所述末端處為100%高度，并且其中，所述渦輪動葉在30-60%高度之間的區(qū)段中以高于所述渦輪動葉的其它區(qū)段的程度扭轉(zhuǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪動葉，其特征在于，所述渦輪動葉在所述根端處以高于在所述渦輪動葉的其它區(qū)段的程度扭轉(zhuǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪動葉，其特征在于，所述渦輪動葉是渦輪的末級動葉。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的渦輪動葉，其特征在于，在3，600RPM的運轉(zhuǎn)速度下，所述渦輪動葉的最大高度為35英寸。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的渦輪動葉，其特征在于，在XRPM的運轉(zhuǎn)速度下，所述渦輪動葉的最大高度為3600/X*35。
9.一種渦輪，包括: 轉(zhuǎn)子； 旋轉(zhuǎn)軸，其隨所述 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；以及 與所述可旋轉(zhuǎn)軸和所述轉(zhuǎn)子聯(lián)接的渦輪，所述渦輪包括多個軸向隔開的轉(zhuǎn)子葉輪，其中，多個動葉與各轉(zhuǎn)子葉輪聯(lián)接，所述動葉中的每一個都具有翼形形狀的截面，其中，末級動葉從根端至末端扭轉(zhuǎn)，并且其中，扭轉(zhuǎn)程度限定所述末端相對于所述切向方向在10-15°的范圍內(nèi)的累積角偏離，由此相對于所述切向方向?qū)⑦^量負傾角減小15-20°。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的渦輪，其特征在于，所述扭轉(zhuǎn)程度限定末端的13°的累積角偏離，由此將過量負傾角減小17°。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的渦輪，其特征在于，所述末級動葉包括前緣，所述前緣被切成圓角以減小正傾角性能敏感度。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的渦輪，其特征在于，所述末級動葉的高度尺寸定義成在所述根端處為0%高度和在所述末端處為100%高度，并且其中，所述末級動葉在30-60%高度之間的區(qū)段中以高于所述動葉的其它區(qū)段的程度扭轉(zhuǎn)。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的渦輪，其特征在于，所述末級動葉在所述根端處以高于所述動葉的其它區(qū)段的程度扭轉(zhuǎn)。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的渦輪，其特征在于，在3，600RPM的運轉(zhuǎn)速度下，所述末級動葉的最大高度為35英寸。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的渦輪，其特征在于，在XRPM的運轉(zhuǎn)速度下，所述末級動葉的最大高度為3600/X*35。
16.一種減小在末級渦輪動葉中的流致振動的方法，所述渦輪動葉從根端至末端扭轉(zhuǎn)，所述方法包括使所述渦輪動葉扭轉(zhuǎn)到如下程度，即以限定所述末端相對于切向方向在10-15°的范圍內(nèi)的累積角偏離，由此相對于所述切向方向?qū)⑦^量負傾角減小15-20°。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，實施所述扭轉(zhuǎn)步驟使得所述扭轉(zhuǎn)程度限定所述末端的13°的累積角偏離，由此將過量負傾角減小17°。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法包括使所述渦輪動葉的前緣切成圓角，以 減小正傾角性能敏感度。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于減小減少負載振動的末級葉片設(shè)計。一種渦輪動葉包括具有翼形形狀的截面的動葉翼形。該動葉從根端至末端扭轉(zhuǎn)。扭轉(zhuǎn)程度限定末端相對于切向方向在10-15°的范圍內(nèi)的累積角偏離，由此相對于切向方向?qū)⑦^量負傾角減小15-20°。
文檔編號F01D5/02GK103195487SQ20131000071
公開日2013年7月10日 申請日期2013年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月4日
發(fā)明者A.D.馬道斯 申請人:通用電氣公司