專利名稱：用于渦輪機轉子輪的殼體的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及渦輪機轉子輪領域，特別是涉及壓縮機輪領域。在渦輪機中，與定 子輪相關的轉子輪形成壓縮機級，該壓縮機級具有壓縮穿過其中流體的功能。一系列轉 子輪(即一組一個或多個轉子輪)(例如用于壓縮機)的設計和優(yōu)化需要考慮兩個目標。
背景技術：
第一目標在于，具有良好的壓縮效率。壓縮效率可被定義為通過等熵壓縮 從一系列轉子輪的上游至下游而將理想施加于流體的能量除以實際施加于流體的能量之 比。(在本文件中，上游和下游相對于通過系列化轉子輪的流體的正常流動方向定義。)第二目標在于，確保足夠的“喘振裕度”。喘振是壓縮機內(nèi)發(fā)生的流體不穩(wěn)定 現(xiàn)象，導致流動低頻振動，并在流速、供應、壓力和溫度條件偏離于渦輪機正常操作范 圍時發(fā)生。由于這種不穩(wěn)定現(xiàn)象常常產(chǎn)生大量能量，因而其使得渦輪機承受高程度的應 力(靜態(tài)和動態(tài))。這樣，易于理解的是，在開發(fā)系列化轉子輪的過程中，不變的目標是 盡可能擴展其正常操作范圍，使得以其作為部件而構成的壓縮機或渦輪機所具有“喘振 裕度”足夠且能夠避免喘振現(xiàn)象。以已知的方式，針對轉子輪形成特定布置，以優(yōu)化第二目標，具體地為優(yōu)化喘
振裕度。在轉子輪或葉片轉子輪中，在操作中在靜態(tài)殼體與移動葉片之間的徑向間隙產(chǎn) 生被稱為間隙流動的次級流動。這種流動導致轉子輪效率顯著受損，在大多數(shù)情況下可 能導致壓縮機穩(wěn)定性受損(喘振現(xiàn)象)。這樣，為了滿足前述第二目標并最大化轉子輪系 列的喘振裕度，已知的是，在殼體內(nèi)壁面向轉子輪葉片的端部之處進行處理。在示例中，殼體處理在于在殼體側壁中形成一組槽。利用這些槽，轉子輪的喘 振裕度得以改進。這樣，專利GB 2408546提供渦輪機殼體處理的示例。然而，在其中 公開的殼體處理中，槽的布置非常特別槽并非周向布置，而是沿周向相互分開的縫且 其中相對于徑向的傾斜角存在變化。結果，殼體的制造相對比較復雜，因而昂貴，但并 不確保殼體能夠同時增大喘振裕度和優(yōu)化壓縮效率。實際上，大多數(shù)殼體處理僅用于優(yōu)化壓縮機的喘振裕度，而不用擔心對于壓縮 效率的通常的負面影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，限定用于渦輪機轉子輪的殼體，所述殼體具有內(nèi)壁，所述 內(nèi)壁圍繞所述殼體的軸線呈大致柱形，所述柱形壁設置有多個周向槽，每個周向槽的截 面在軸向截面中大致相同，所述殼體被優(yōu)化以同時改進喘振裕度和優(yōu)化相關渦輪機轉子 輪的效率。這一目的通過以下事實實現(xiàn)在所述殼體中，所述周向槽(11，12，13)的截面 積(Si，S2，S3)從上游至下游從第一個槽(11)至最后的槽(13)而減小。
以上使用的術語“上游端”表示被設計為位于殼體上游側的殼體端。術語“周向槽”用于表示設置為大致處于垂直于轉子軸線的平面中的槽。這些 槽因而典型地為圓形槽，位于垂直于轉子輪軸線的平面中。這些槽不必連續(xù)，且其不必 占據(jù)圍繞殼體的完整圓周。然而，為了確保這些槽具有足夠效能，特別是改進系列化轉 子輪的喘振裕度，有必要使其占據(jù)殼體圓周的大部分。每個周向槽的截面在軸向截面中大致相同的事實意味著無論選擇哪個軸向截 面來評估截面，槽的截面均大致相同。本發(fā)明的優(yōu)點來自以下兩個觀察結果第一，基本上是轉子輪上游側上的第一 槽貢獻于改進喘振裕度，其他槽根據(jù)其與第一槽的距離而對這種改進具有遞減的貢獻； 第二，每個槽對于系列化轉子輪的壓縮效率具有基本上是負面的影響。這樣，為了同時優(yōu)化轉子輪效率和改進喘振裕度，本發(fā)明給予第一槽以相對于 隨后槽(即位于在更下游其他槽的上游的一組槽)的截面積優(yōu)勢。通常，在上游端的第一槽具有的截面積大于任何其他槽的截面積。然而，本發(fā) 明還涵蓋這樣的實施例，其中，從上游至下游，殼體設置有具有相同截面積的兩個槽， 隨后是具有較小截面積的兩個槽，依此類推。在本發(fā)明中，可想到槽截面積的任何變 例，只要所述周向槽的截面積從上游至下游從第一槽至最后的槽減小即可。這種減小可 以是規(guī)則的，例如，槽的截面積從上游至下游線性地減小。在另一實施例中，槽截面積 的減小同樣可逐步產(chǎn)生。應觀察到，所考慮的槽是與轉子輪葉片大致對準而定位的槽，而與轉子輪上游 和下游的殼體形狀無關。在一實施例中，每個槽大致在垂直于殼體軸線的平面中延伸。在一實施例中，所述周向槽的第一個槽的深度大于位于更下游的隨后的槽的深度。在一實施例中，各所述周向槽的深度從上游至下游而減小。有利地，各所述周向槽的深度線性地減小。在一實施例中，所述周向槽的第一個槽的寬度大于位于更下游的隨后的槽的寬度。在一實施例中，各所述周向槽的寬度沿殼體軸線從上游至下游而減小。上述各種實施例使得根據(jù)本發(fā)明可同時優(yōu)化轉子輪效率和改進其喘振裕度，其 中對于根據(jù)在設計系列化轉子輪時需要考慮到的其他限制而可優(yōu)化的各種參數(shù)施加作用。在一實施例中，所述殼體在相鄰的槽之間設置有大致柱形的接合表面，其中， 所述接合表面的直徑大致等于分別在所述槽的上游和下游測量到的所述殼體的內(nèi)直徑的 平均值。利用這種構造，在葉片端部與殼體之間間隙中的流動，在直徑規(guī)則變化的空間 中進行(忽略槽)，由此減小不希望出現(xiàn)的紊流。本發(fā)明的第二目的在于，限定具有大喘振裕度的高效率渦輪機。這一目的通過以下事實而實現(xiàn)所述渦輪機具有轉子輪和如上所限定的殼體。 這樣，渦輪機的性能被優(yōu)化，而且其得益于優(yōu)化的效率和改進的喘振裕度。


通過閱讀以下的對以非限制性示例方式提供的實施例的詳細描述，能夠更好地 理解本發(fā)明，且其優(yōu)點更顯見。以下描述參照附圖，其中圖1是包括本發(fā)明殼體的渦輪機轉子輪的立體圖；和圖2是圖1中所示轉子輪的軸向截面圖，其顯示出本發(fā)明對殼體的處理。
具體實施例方式參見圖1，以下描述本發(fā)明的用于轉子輪的殼體。圖1顯示出轉子輪100。此轉子輪100主要包括轉子盤30和葉片20，轉子盤30 和葉片20當在由靜態(tài)殼體10構成的定子內(nèi)圍繞軸線F旋轉時可移動。在該轉子輪中， 盤30是環(huán)形部件，具有在旋轉時保持和移動葉片20的功能。通常，葉片通過其根部利 用錘頭或圣誕樹構造的緊固件被緊固到轉子盤。這樣每個葉片包括根部，構成流通截 面的內(nèi)部分的平臺22，和翼面23?？商娲?，葉片可由與轉子盤相同的材料塊制成，其 中盤被稱為單件葉片盤。流體大致沿轉子輪的軸線F通過位于不同葉片的翼面23之間的 內(nèi)葉片通路。流體沿徑向通過葉片平臺22與轉子輪殼體10內(nèi)側之間。每個葉片具有大 致沿徑向延伸的翼面23。葉片根部朝向轉子輪的中心定位，其中翼面23向外延伸。當 轉子輪旋轉時，翼面23的端部于是在靜態(tài)殼體10的近處被以高速行進。為了高效操作 轉子輪，對于葉片端部與殼體內(nèi)壁15之間的間隙(Bi，B2)具有良好控制是重要的。關 鍵是使此間隙較小。所述間隙參照圖2詳細描述。圖2的截面圖顯示出葉片20面向殼體10對應截面的端部。為使葉片20可相對 于殼體10旋轉，在葉片與殼體之間留下間隙。在所示的示例中，此間隙因而可具有在葉 片上游側上的值Bl和在下游側上的值B2。截面顯示出沿徑向或大致沿徑向延伸的三個 槽11，12，13的截面。這三個槽對準葉片20的尖端定位，它們可從所述尖端向上游或 向下游稍稍延伸。槽11，12和13形成了施加于殼體的處理結構，用于改進以轉子輪作 為部件而構成的渦輪機中的喘振裕度，同時使轉子輪能夠具有良好效率。為了實現(xiàn)此目 的，根據(jù)本發(fā)明的槽布置顯示出，槽11，12，13設置有從上游至下游減小的相應截面積 Si，S2，S3。槽11，12，13為徑向圓形槽，每個槽在垂直于殼體軸線F的平面中圍繞 殼體形成整圖。面積Si，S2，S3線性地減小。槽的面積從上游至下游的這種減小以及 第一槽相對于隨后槽的優(yōu)勢，通過改變槽的寬度以及改變槽的深度而獲得。這樣，第一槽具有沿殼體軸線F測量到的最大寬度D1，并具有沿徑向測量到的 最大深度E1。類似地，在三個槽11，12和13中，槽的深度從上游至下游線性地減小， 這因而相應呈現(xiàn)出線性減小的11，12，13深度El，E2，E3 ；類似地，三個槽的沿殼體 軸線F測量到的相應寬度Dl，D2，D3也從上游至下游線性地減小。為了使在葉片20的尖端與殼體10的壁之間發(fā)生的紊流最小化，在葉片端部與殼 體10的內(nèi)壁15之間的間隙沿轉子輪從上游至下游連續(xù)變化。在葉片的尖端處，這些間隙從上游至下游包括相對于殼體側壁15的第一間隙 Bl ；相對于槽11和12之間接合表面16的間隙Cl ；相對于槽12和13之間接合表面17 的間隙C2;和相對于殼體內(nèi)壁15的最后的間隙B2(其中，間隙在概念上并未限定為與槽11，12，13 對準)為了使流體以常規(guī)方式通過以在葉片徑向外端近處幾乎不產(chǎn)生通過轉子輪的紊 流，間隙Bi，Cl，C2，B2具有相似的值。因此，還可觀察到，槽之間的接合表面16 和17大致為柱形，而且接合表面16和17的直徑大致等于在葉片20上游測量到的上游直 徑Al與在其下游測量到的下游直徑A2之間的平均直徑。圖2中所示槽11，12，13沿徑向延伸，即每個槽大致位于垂直于殼體軸線的平 面中。在變例中，槽同樣可傾斜，即槽不需要形成為垂直于殼體內(nèi)壁15，但可傾斜延 伸，相對于轉子輪向上游或向下游延伸。而且，實際上，槽的深度El典型地處于平均間隙的一半至平均間隙的30倍的 范圍內(nèi)，其中，平均間隙在葉片20的尖端與殼體10的內(nèi)壁15之間測得。而且，槽的深 度、面積和/或寬度典型地被除以2至5，從殼體處理上游端的第一槽至殼體處理的最后 的槽。最后，圖2中所示實施例具有三個槽，其截面積規(guī)則地減小?？梢允褂枚鄠€其 他實施例。特別地，不是截面積規(guī)則地減小，而是可具有第一組上游槽，所述上游槽的 截面積均相等而且大于位于更下游的其他槽的共同截面積。
權利要求
1.一種用于渦輪機轉子輪(100)的殼體(10)，所述殼體具有內(nèi)壁(15)，所述內(nèi)壁 圍繞所述殼體的軸線呈大致柱形，所述柱形壁設置有多個周向槽(11，12，13)，每個周 向槽的截面在軸向截面中大致相同，其特征在于，所述周向槽(11，12，13)的截面積 (Si，S2，S3)從上游至下游從第一個槽(11)至最后的槽(13)而減小。
2.根據(jù)權利要求1所述的殼體，其中，各所述槽的截面積(Si，S2，S3)從上游至下 游的減小是線性的。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的殼體，其中，所述周向槽的第一個槽的深度(El)大于 位于更下游的隨后的槽(12，13)的深度(E2，E3)。
4.根據(jù)權利要求1至3中任一項所述的殼體，其中，各所述周向槽的深度(El，E2， E3)從上游至下游而減小。
5.根據(jù)權利要求4所述的殼體，其中，各所述周向槽的深度的減小是線性的。
6.根據(jù)權利要求1至5中任一項所述的殼體，其中，所述周向槽的第一個槽(11)的 寬度(Dl)大于位于更下游的隨后的槽的寬度(D2，D3)。
7.根據(jù)權利要求1至6中任一項所述的殼體，其中，各所述周向槽的寬度(Dl，D2, D3)從上游至下游而減小。
8.根據(jù)權利要求1至7中任一項所述的殼體，在相鄰的槽之間設置有大致柱形的接合 表面(16，17)，其中，所述接合表面的直徑大致等于分別在所述槽的上游和下游測量到 的所述殼體(10)的內(nèi)直徑(Bi，B2)的平均值。
9.根據(jù)權利要求1至8中任一項所述的殼體，其中，每個槽(11，12，13)大致在與 所述殼體的軸線(F)垂直的平面中延伸。
10.一種渦輪機，其包括轉子輪(100)和根據(jù)權利要求1至9中任一項所述的殼體。
全文摘要
一種用于渦輪機轉子輪(100)的殼體(10)具有多個周向槽(11，12，13)，每個周向槽的截面大致相同，其中，所述周向槽(11，12，13)的截面積(S1，S2，S3)從上游至下游從第一個槽(11)至最后的槽(13)而減小。通過以這種方式處理殼體，轉子輪的效率被優(yōu)化，且其喘振裕度改進。
文檔編號F04D29/16GK102016324SQ200980111087
公開日2011年4月13日 申請日期2009年3月25日 優(yōu)先權日2008年3月28日
發(fā)明者勞倫特·雅布隆斯基, 奧利弗·多默克, 安東尼·布魯奈特, 文森特·佩羅特 申請人:斯奈克瑪