汽輪機和汽輪機葉片的製作方法
2023-05-31 20:43:21
專利名稱：汽輪機和汽輪機葉片的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有流動通道和在流動通道內設有葉片的汽輪機以及汽輪機的葉片。
在DE 19546008A1中介紹了一種汽輪機葉片，它使用於汽輪機前末級和末級的溼蒸汽區。這種汽輪機葉片由於小水滴的撞擊受到磨蝕。為了減少這種磨蝕，汽輪機葉片的葉身在其進汽邊區域內和在其葉片背弧區域內或至少在它們的部分範圍內，與葉身前側面的表面粗糙度相比有大得多的表面粗糙度。由於這種表面粗糙度，在汽輪機葉片表面保持了一層水膜，它降低撞擊的小水滴的腐蝕作用。
DE 3609541C2涉及減小紊流溢流體的流動阻力。阻力的減小通過降低紊流的壁面剪應力達到。為此，此紊流溢流體表面制有分成多組的肋。這些肋側面對著流動方向互相錯開排列而且沿流動方向具有較短的尺寸。DE3609541C2具體公開了這樣的一種表面結構，用於減小飛機升力面的流動阻力。
DE 4319628A1涉及流體機械與液體接觸表面的結構化。通過加上一種溝槽形結構使流動損失降到最低程度。其中對液體泵的具體狀況加以了考慮。
DE G 9013099涉及一種用於從流動介質吸收能量或用於將能量釋放給流動介質的轉子，它由輪轂和至少一個轉子葉片組成。為了提高轉子效率，使轉子的轉子葉片有波紋的形狀。除了必需的波紋形狀外，轉子葉片也可以完全地被網紋覆蓋。
US-PS 3481531介紹了用於離心壓縮機，尤其是燃氣輪機的工作輪。工作輪有沿徑向向外延伸的葉片，工作輪壁位於葉片之間。工作輪壁上制有沿徑向向外延伸的槽，從而打破了燃氣附著在壁上的邊界層並因而將能量損失降到最低程度。
US-PS 4023350公開了一種減少燃氣輪機壓力損失的裝置。此裝置由一系列隆凸組成，它們在燃氣輪機葉片環兩個相鄰葉片之間延伸。此系列隆凸用於引起渦流，由此減小邊界層厚度並因而降低由於橫向流動引起的損失。
在1994年第1109號VDI報告中，Jetter和Rieβ在第241頁的論文「不同加工質量的渦輪葉片型面的流體特性-Strmungstechnische Eigenschaftenvon Turbinenschaufelprofilen unterschiedlicher Fertigungsqualitten」中描述了表面粗糙度對渦輪葉片型面效率的影響。文中闡明了表面粗糙度，例如銑槽對型面損失的影響，但是由於其他參數的重要性，所以迄今這種影響無法準確定量。
由Klaus Menny，B.G.Teubner所著的書「Strmungsmaschinen」(Stuttgart，1995)已知一種汽輪機。統稱「Strmungsmaschinen」的流體機械包括水輪機、蒸汽和燃氣輪機、風車、離心泵和離心壓縮機及螺旋槳推進器，所有的這些機械的共同點是，它們的目的都是要從工作流中提取能量，以便驅動另一個機器；或反之，向工作流輸送能量，以便提高工作流的壓力。舉簡單的渦輪機為例可以說明流體機械的工作方式工作流進入機器內並首先流過固定的導向葉片的葉片環。在此過程中提高了工作流的速度並因而增加其動能。它的壓力並因而其勢能下降。與此同時，由於導向葉片的形狀產生了一個沿一個在導向葉片環下遊的工作葉片環周向的速度分量。工作流經過工作葉片環時將它的動能輸送給轉子，工作葉片環與此轉子連接，在工作流繞流工作葉片時它的方向以及往往還有它的速度值發生變化。於是工作葉片環作旋轉運動。具有減少了的能量含量的工作流從機器排出。由渦輪所獲得的機械能與從工作流提取的能量之比稱為渦輪效率。
本發明的目的是提供一種高效率的汽輪機。本發明的另一個目的是提供一種汽輪機用的葉片，藉助這種葉片可使汽輪機獲得高的效率。
本發明有關汽輪機方面的目的藉助於這樣一種汽輪機來實現，該汽輪機包括一個沿一軸線定向的具有通道壁和具有在流動通道內排列的葉片的流動通道，其中，通道壁至少局部有一種具有互相隔開間距的表面凸起的槽形結構。
在這樣一種汽輪機中，藉助於制在通道壁上的槽形結構，可有目的地影響工作流沿局部有變化的主流方向流過流動通道。通道壁必須是不相關聯的表面。通道壁最好由環形流動通道的內壁和外壁組成。影響流動的主要是橫向於工作流主流方向的橫向流動，例如渦流，它們由於槽形結構引起的提高了的流動阻力而被消減。因為這些橫向流動會導致降低效率，所以使這些橫向流消減有助於提高汽輪機的效率。
最好每個葉片排列在一個葉片環內，作為通道壁一部分的間隔面處於在葉片環內彼此相鄰的兩個葉片之間。具有表面凸起的槽形結構在此間隔面上延伸。工作流沿著在那裡通過葉片確定的主流方向在兩個相鄰葉片之間流動。間隔面可以沿主流方向經相鄰葉片端點間的連線向外延伸。措詞「處於……之間」用來表述間隔面的位置，而不是用來嚴格地確定其沿主流方向的範圍。葉片環的這些間隔面可特別有效地使可能出現的橫向流通過制在這些表面上的槽形結構被消減。葉片環可例如理解為一種葉片的裝置，其中，葉片裝在一個內部的和一個外部的分別為環形的邊界之間，或葉片只在一端固定，例如固定在汽輪機的轉子上。
最好每個葉片有一個葉身，它有一個與間隔面鄰接的葉身輪廓，每一個在間隔面上延伸的表面凸起配屬一個最近的葉身輪廓。表面凸起最好大體與葉身輪廓平行定向。因此槽形結構大體沿工作流的主流方向定向，以及大體垂直於可能出現的橫向流定向。其結果是導致增大垂直於主流方向的流動阻力，並因而導致橫向流消減。
葉片的第一部分最好設計為工作葉片。葉片的第二部分最好設計為導向葉片。
一些葉片最好各有一葉根部分，葉片藉助於該葉根部分插入轉子或外殼上一個環形的對所有這些葉片公共的槽內。由此構成的葉片環的葉片，它們的葉根部分彼此相靠。每個葉根部分有在通道一側的葉根表面，它構成通道壁的一部分。為了在通道壁上制槽形結構，可在通道一側的葉根表面上，亦即在葉片的葉根部分上製作槽形結構。因此，在加工技術上可採用簡單的方法在葉片裝入流體機械中之前就已經在各葉片的葉根部分上加工好槽形結構。
最好其中一種葉片與轉子或外殼的一個僅為單個葉片所設計的槽配合。整個葉片環優選由這樣的葉片構成。在這種情況下，間隔面基本上通過位於葉片環相鄰葉片的有關槽之間的轉子表面構成。
一部分葉片最好互相連接成一聯合體，使每一個這種葉片只有被破壞才能從此聯合體拆出。這種聯合體最好是一個葉片環或部分葉片環。此葉片環或此部分葉片環可例如通過焊接製成，或由一個整裝(kompakt)工件或由多個整裝工件通過腐蝕(Herauserodieren)出葉片製成，在由多個整裝工件製成的情況下在腐蝕出葉片後組裝在一起。
相鄰表面凸起的距離最好在0.01mm與10mm之間。此外，最好每兩個相鄰表面凸起包含一個槽底並構成一個槽，每個槽從表面凸起之間的連線到槽底最低點測量的槽深在1μm與1mm之間。
每個葉片最好有一個葉身，一種葉身槽形結構至少局部地在至少一個葉身上延伸。因此便也可以影響流體機械中工作流流過葉片葉身上的槽形結構。
本發明有關葉片方面的目的通過提供一種流體機械用的葉片實現，這種葉片沿葉片軸線定向並具有一個葉片表面和一個葉根部分及與葉根部分鄰接的葉身，葉根部分有用於將葉片固定在流體機械內的固定部分，葉身有葉身表面，其沿葉片軸線依次包括下部區、中部區和上部區，其中，葉片表面至少局部有包括互相隔開間距的表面凸起在內的槽形結構，通過槽形結構可有針對性地影響工作流繞流葉片表面，在這裡，槽形結構在下部區和/或上部區內延伸，而中部區是光滑的。
因此分別在葉身的邊緣區藉助槽形結構影響葉片的繞流。在這裡所謂「光滑」指的是，中部區的表面也許會有槽、毛茸不平或隆凸，但與下部區和/或上部區內的槽相比它們淺或小。
每個表面凸起最好與一個垂直於葉片軸線的平面成一個延伸角延伸，其中規定第一表面凸起有第一延伸角，第二表面凸起有與第一延伸角不同的第二延伸角。
通過葉片表面的槽形結構可以影響裝入流體機械內的葉片的繞流，使得流體機械的效率得到提高。尤其可以藉助於槽形結構削弱可能出現的橫向流動。這些橫向流動是橫向於工作流主流方向出現的支流。因為這些橫向流動會引起效率損失，所以消減它們便可以提高效率。
葉片的葉根部分意味著是一個與葉身鄰接的固定裝置，葉片可通過它與流體機械連接，例如與汽輪機的轉子或內殼連接。一個葉輪的多個葉片的葉根部分也可以組合成單一的構件，例如構成一個葉輪。此外，葉片還可以有葉冠，它例如適用於密封在流體機械的葉片與外殼或轉子之間的間隙漏流。
術語「槽形結構」還包括在葉片表面不同區域內可以是不同的結構設計，或葉片表面彼此分開的區域可以有或許不同設計的槽。也就是說在葉片表面上不同位置處的槽例如可能在深度、寬度、形狀或延伸方向方面是不同的。
第一表面凸起最好在葉根部分的區域內或位於下部區內，其中第一延伸角在0°與20°之間。
葉根部分最好有葉根表面，槽形結構經至少部分葉根表面延伸。此外，沿葉片軸線處於與葉根部分相對位置的葉冠部分最好有葉冠表面，槽形結構在至少部分葉冠表面上延伸，在這裡尤其是第二表面凸起位於葉冠表面內。在葉冠部分表面上的槽形結構可以有與在葉片表面其他區域內的不同的延伸方向。恰恰在葉片的邊緣區會產生橫向流動，消減這種橫向流對於提高效率具有重要意義。通過最好在葉根部分和/或葉冠部分上設有槽形結構，可以有針對性地消減在這些地區可能產生的橫向流動。
相鄰表面凸起的間距最好在0.01mm與10mm之間。此外，最好每兩個相鄰表面凸起包含一個槽底並構成一個槽，對每個槽所測得的從表面凸起之間的連線到槽底最低點的槽深在1μm與1mm之間。
下面藉助於附圖進一步說明本發明的實施例，附圖中
圖1為一汽輪機的縱剖面圖；圖2為一個具有槽形結構的葉片環的局部透視圖；圖3為一汽輪機葉片側視圖；圖4為圖3所示汽輪機葉片的橫截面圖；圖5為槽形結構的簡示圖；圖6為具有葉根部分的汽輪機葉片局部的側視圖。
在各附圖中附圖標記有相同的意義。
圖1表示沿著從進汽側1A到排汽側1B的軸線4方向通過一臺汽輪機1的縱剖面。圖中只示出了相對於軸線4對稱的一半。帶有表面14B的轉子14沿軸線4延伸並部分地被外殼15的內側15A圍繞。外殼15有一個橫截面為圓形且垂直於軸線4定向的進汽通道16用於供入蒸汽。驅動汽輪機1的工作流是蒸汽13。進汽通道16通入一個環形的流動通道2中，後者沿軸線4從進汽側1A延伸到排汽側1B並以通道壁3為邊界。通道壁3一方面由內壁3A組成，它通過轉子14表面14B的一部分構成。通道壁3另一方面由外壁3B組成，它由外殼15內側15A的一部分構成。內壁3A是一個與軸線4同軸的圓柱體，而外壁3B則構成一個與軸線4同軸的截錐體。後者從進汽側1A到排汽側1B逐漸展寬，所以流動通道2有一個沿軸線4逐漸增大的橫截面積。流動通道2通入垂直於軸線4和垂直於進汽通道16的排汽通道18。一些葉片5沿流動通道2分別排列在有關的葉片環55內。每個葉片5沿葉片軸線57(見圖3)定向。每個葉片5的葉片軸線57垂直於軸線4定向，在這種情況下每個葉片5的長度剛好使它沿流動通道2的全部高度延伸。葉片環55A、55B一方面設導向葉片5A，另一方面設工作葉片5B，沿軸線4交替地排列一個帶導向葉片5A的葉片環55A和一個帶工作葉片5B的葉片環55B。導向葉片5A固定在外殼15上。工作葉片5B與轉子14連接。在帶工作葉片5B的葉片環55B處，舉例表示了一個工作葉片5B如何藉助於錘頭狀固定部分56A與轉子14上相應形狀的槽14A相配合。
在這樣一種汽輪機1運行時，其中作為工作流的蒸汽13經進汽通道16沿著一個局部有變化的主流方向60(見圖4)通過流動通道2流動，並經排汽通道18重新從汽輪機1排出。在流動通道2中，蒸汽13通過導向葉片5A向工作葉片5B偏轉。由蒸汽13施加在工作葉片5B上的力使轉子14作旋轉運動。也就是說，蒸汽13的動能轉換成轉子14的功能。轉子14的旋轉運動可例如用於在一臺圖中未示出的發電機內產生電能。在流動通道2內除了蒸汽13的主流方向60外，還可能產生橫向於主流方向60的橫向流動61(見圖4)。這種橫向流動61通常意味著蒸汽13的能量損失，它並不轉化為轉子14的機械能，因此其結果是降低了效率。這些橫向流動61通過加工在通道壁3上的槽形結構6來消除，槽形結構在圖1中沒有表示，但在圖2中詳細說明。
圖2中示意表示了帶工作葉片5B的葉片環55B的一部分。工作葉片5B沿轉子14圓周排列。每個工作葉片5B與轉子連接。每個工作葉片5B具有一個葉身51。每個葉身51通過葉身輪廓52與轉子14鄰接。間隔面31位於每兩個相鄰工作葉片5B之間。它以沿繞葉片環55B流動的蒸汽13主流方向60的這兩個工作葉片5B的葉身輪廓52為界。此間隔面31沿主流方向60經一個僅僅位於這兩個工作葉片5B之間的區域向外延伸。每個工作葉片5B以其與轉子14相反的那一端與外殼15的內側15A鄰接，但在這裡工作葉片5B並未與外殼15接觸，還留有一個間隙。一種適用的圖中沒有表示的密封裝置，例如工作葉片5B與外殼15互相嚙合的齒，基本上密封此間隙。帶有表面凸起9的槽形結構6在每個間隔面31上延伸。每兩個相鄰的表面凸起包含一個槽底10和構成一個槽8。每個槽8有一個從表面凸起9到表面凸起9的距離W，以及有一個從兩個表面凸起9之間連線到槽8的槽底10所測得的槽深h。但槽形結構6的槽8也可以根據流動狀況有不同的寬度和高度，或者也可以有不同的形狀。每個表面凸起9與離此表面凸起9最近的那個葉身輪廓52平行定向。這樣一種槽形結構6沿主流方向60(見圖4)導引工作流沿主流方向60(見圖4)流過葉片環55B，並削弱可能發生的橫向於此主流方向60的橫向流動61(見圖4)，例如渦流，這是由於增加了橫向流動61的流動阻力。如前面已闡述的，這種削弱通常意味著提高效率。
圖3表示工作葉片5B的側視圖。工作葉片5B沿葉片軸線57定向。沿葉片軸線57延伸有一個具有錘頭狀固定部分56A和橫向於葉片軸線57的葉根板56B的葉根部分56、一個葉身51和一個葉冠部分54。在葉身51的表面加工有槽形結構6。在葉身表面51a上，槽形結構6在下部區41內延伸到與葉根部分56鄰接，在上部區43內延伸到與葉冠部分54鄰接。葉身表面51a的中部區42是光滑的。在葉片5被工作流11繞流時，只是在葉身51邊緣區內的流動才有目的地受槽形結構6的影響。因為正是在這些邊緣區可能產生橫向流動，所以可以在這些邊緣區內有目的地消減橫向流動。
工作葉片5B藉助於其固定部分56A插入槽14A內(見圖1)。因此由許多結構相同的工作葉片5B構成了一個直接以它們各自的葉根部分56毗連的工作葉片5B葉片環55B。工作葉片5B的葉根板56B構成通道壁3的一部分。在葉根板56B上加工有槽形結構6。在圖4所示通過工作葉片5B的橫截面中可以清楚看出此槽形結構。在梯形的葉根板56B上延伸有帶表面凸起9的槽形結構6。葉型橫截面的外輪廓就是葉身輪廓52，表面凸起9隨此葉身輪廓52的曲線走向。
圖5示意表示了槽形結構6。在一個表面上直接毗連地排列橫截面大體為U形的互相平行的槽8。槽8以表面凸起9為界，它們包含一個槽底10。在此例中從表面凸起9到相鄰表面凸起9的距離W始終是相等的。從槽底10的最低點到相鄰表面凸起9之間連線的高度h對於每個槽同樣是相等的。槽形結構6平行於工作流11繞流的方向定向。除工作流11的主流方向11a外，可能產生橫向流動11b。藉助於橫向定向的槽形結構6使橫向流動11b受到更大的流動阻力並因而可以被消減，其結果是可以提高效率。
圖6表示汽輪機葉片5的局部側視圖。在此實施形式中槽形結構6也布置在葉根部分56葉根表面的葉根過渡區44上。因此也可以通過葉根表面影響葉片的繞流。槽形結構6可以直接在加工葉片時製成，但它們也可以在事後補充加工形成。
權利要求
1.一種汽輪機(1)，其包括一個沿軸線(4)定向的流動通道(2)，該流動通道具有通道壁(3)和布置在流動通道(2)內的葉片(5)，其特徵在於該通道壁(3)至少局部有槽形結構(6)，槽形結構(6)有互相隔開間距的表面凸起(9)。
2.按照權利要求1所述的汽輪機(1)，其特徵在於每個葉片(5)排列在一個葉片環(55)內，作為通道壁(3)一部分的間隔面(31)處於在葉片環(55)內彼此相鄰的兩個葉片(5)之間，具有表面凸起(9)的槽形結構(6)在該間隔面(31)上延伸。
3.按照權利要求2所述的汽輪機(1)，其特徵在於每個葉片(5)具有一個葉身(51)，它有一個與間隔面(31)鄰接的葉身輪廓(52)，每一個在間隔面(31)上延伸的表面凸起(9)與一個最近的葉身輪廓(52)匹配，該表面凸起(9)大體與葉身輪廓平行定向。
4.按照上述任一項權利要求所述的汽輪機(1)，其特徵在於葉片(5)的第一部分設計為工作葉片(5B)。
5.按照上述任一項權利要求所述的汽輪機(1)，其特徵在於葉片(5)的第二部分設計為導向葉片(5A)。
6.按照上述任一項權利要求所述的汽輪機(1)，其特徵在於一些葉片(5)分別有一個葉根部分(56)，葉片(5)藉助於該葉根部分(56)插入轉子(14)或外殼(15)上一個環形的對所有這些葉片(5)公共的槽(14A)內，這些葉片(5)通過它們的葉根部分(56)彼此相靠。
7.按照上述任一項權利要求所述的汽輪機(1)，其特徵在於其中一種葉片(5)與轉子(14)或外殼(15)的一個僅為單個葉片(5)所設計的槽(14A)配合。
8.按照上述任一項權利要求所述的汽輪機(1)，其特徵在於一部分葉片(5)互相連接成一個聯合體，該聯合體尤其通過焊接這些葉片或通過由一整裝工件腐蝕出這些葉片來形成；這些葉片(5)中每一個只有被破壞才能從此聯合體拆出。
9.按照上述任一項權利要求所述的汽輪機(1)，其特徵在於相鄰表面凸起(9)的距離(w)在0.01mm與10mm之間。
10.按照上述任一項權利要求所述的汽輪機(1)，其特徵在於每兩個相鄰的表面凸起(9)包含一個槽底(10)並構成一個槽(8)，對每個槽(8)所測得的從表面凸起(9)之間的連線到槽底(10)最低點的槽深(h)在1μm與1mm之間。
11.按照上述任一項權利要求所述的汽輪機(1)，其特徵在於每個葉片(5)有一個葉身(51)，一個槽形結構(6)至少局部地延伸在至少一個葉身(51)上。
12.一種汽輪機中沿葉片軸線(57)定向的葉片(5)，它具有一個葉片表面(49)和一個葉根部分(56)及一個與葉根部分(56)鄰接的葉身(51)，葉根部分有用於固定在汽輪機內的固定部分(56A)，葉身有葉身表面(51A)並沿葉片軸線(57)依次包括下部區(41)、中部區(42)和上部區(43)，其特徵在於葉片表面(49)具有包括互相隔開間距的表面凸起(9)在內的槽形結構(6)，通過槽形結構可有目的地影響工作流(11)繞葉片表面(49)的流動，其中，槽形結構在下部區(41)和/或在上部區(43)內延伸，而中部區(42)是光滑的。
13.按照權利要求12所述的葉片(5)，其特徵在於每個表面凸起(9)與一個垂直於葉片軸線(57)的平面成一延伸角(α)地延伸，其中第一表面凸起(9a)有第一延伸角(α1)，第二表面凸起(9b)有第二延伸角(α2)。
14.按照權利要求13所述的葉片(5)，其特徵在於第一表面凸起(9a)位於葉根部分(56)的區域內或在下部區(41)內，以及第一延伸角(α1)在0°與20°之間。
15.按照權利要求13或14所述的葉片(5)，其特徵在於第二表面凸起(9b)位於上部區(43)內，其中第二延伸角(α2)在20°與60°之間。
16.按照權利要求12至15中任一項所述的葉片(5)，其特徵在於葉根部分(56)有一個葉根表面，槽形結構(6)在至少部分葉根表面上延伸。
17.按照權利要求12至16中任一項所述的葉片(5)，其特徵在於沿葉片軸線(57)與葉根部分(56)相對處設有葉冠部分(54)，它有葉冠表面，槽形結構(6)在至少部分葉冠表面上延伸，尤其第二表面凸起(9b)位於葉冠表面內。
18.按照權利要求12至17中任一項所述的葉片(5)，其特徵在於相鄰表面凸起(9)的間距(w)在0.01mm與10mm之間。
19.按照權利要求12至18中任一項所述的葉片(5)，其特徵在於每兩個相鄰表面凸起(9)包含一個槽底(10)並構成一個槽(8)，對每個槽(8)所測得的從表面凸起(9)之間的連線到槽底(10)最低點的槽深在1μm與1mm之間。
全文摘要
本發明涉及一種汽輪機(1),它有一個流動通道(2)。在流動通道(2)內葉片(5)排列成葉片環(55)。流動通道(2)的壁(3)上具有槽形結構(6),它有目的地影響工作流(13)流經流動通道(2)的流動。尤其是在葉片環(55)每兩個葉片(5)之間有一個帶槽形結構(6)的間隔面(31)。本發明還涉及汽輪機的葉片。
文檔編號F01D5/14GK1251153SQ98803676
公開日2000年4月19日 申請日期1998年3月16日 優先權日1997年4月1日
發明者卡爾－海因裡希·米勒, 威爾弗裡德·厄爾姆, 拉爾夫·貝爾, 沃爾克·西蒙 申請人:西門子公司