[發明專利]渦輪裝置

有效

• 申請號: 00109036.4
• 申請日: 2000-06-05
• 公開（公告）號: CN1276466A
• 公開（公告）日: 2000-12-13
• 發明（設計）人: 渡邊啟悅;原田英臣
• 申請（專利權）人: 株式會社荏原制作所
• 主分類號: F01D5/14
• 分類號: F01D5/14
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司
• 代理人: 程坤

本發明涉及用于發電廠之類中的渦輪裝置。

燃氣輪機和汽輪機用來把高溫燃氣和蒸汽的熱能轉換成機械力或電力。近年來，渦輪機制造商的當務之急是提高用作能量轉換器的渦輪機的性能，防止能量被白白浪費，防止全球溫室化。

高壓和中壓渦輪機的葉片高度與渦輪內徑之比較小。因此，在這些渦輪機中，由于一稱為邊界層的區域的作用較大，因此由二次流造成的損失大，在邊界層處，在渦輪內外徑表面上展開的流體的能量小。二次流的生成機制如下：

如圖1所示，流入相鄰兩轉子葉片1之間空間中的一流G受到一由從轉子葉片1之一的壓力面F到另一轉子葉片1的負壓面B的壓力梯度造成的力的作用。在離開內徑表面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造成的離心力平衡。但是，端壁旁邊界層中的流的動能小，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被帶到負壓面B。在流程的后面部分中，這些流碰撞負壓面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，在葉片整個高度上用斜面或曲面來抑制上述二次流，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才有效，傾斜或彎曲很大的葉片造成機械強度下降，特別如葉片為轉子葉片的話。

迄今為止，高壓和中壓渦輪機為兩維設計。但是，隨著計算機和流分析方法的發展，高壓和中壓渦輪機可使用三維葉片構型。三維葉片構型使得我們可對葉片上表為葉片壓力面與負壓面之間壓力差的負荷分布進行三維控制，從而減小葉片的能量損失。按照葉片的現有三維設計，三維葉片由在某一葉片高度上設計的多個兩維葉片葉型沿葉片高度堆積而成。因此，無法在葉片整個高度上詳細控制葉片上的壓力分布。

因此本發明的一個目的是提供一種渦輪裝置，其葉片的負荷分布在三維上受控，以減小能量損失。

按照本發明，提供一種渦輪裝置，包括一轉子，該轉子上在一內徑表面與一外徑表面之間有多個渦輪葉片，這些渦輪葉片在內徑表面旁為前部或中區負荷型，在外徑表面旁為后區負荷型。

確切說，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徑表面旁為前部或中區負荷型，在外徑表面旁為后區負荷型。

下面說明本發明的形成過程。

本發明人著力研究如何才能獲得最佳結果，為此，在葉片的不同高度上，在由渦輪轉子葉片界定的流程的子午方向中找出這樣一個位置，該位置使得渦輪轉子葉片從流體接受的能量最大，也即找出渦輪轉子葉片上負荷最大的位置。為便于分析，沿子午方向把流程分成一前區、一中區和一后區。

如圖3所示，渦輪轉子葉片所做的功可表為轉子葉片進口和出口處絕對速度的圓周分量Vθ的變化。轉子葉片之間該圓周分量Vθ的變化與可表為轉子葉片壓力面與負壓面之間的壓力差或焓差的負荷分布有關，其計算式為：

對于不可壓縮流：

負荷分布＝Pp-Ps＝(2π/B)ρW(r·Vθ/m)

對于可壓縮流：

負荷分布＝hp-hs＝(2π/B)W(r·Vθ/m)

其中，Pp、Ps分別為壓力面和負壓面上的靜態壓力，hp、hs分別為壓力面和負壓面上的靜態焓，B為該渦輪裝置的轉子葉片數，ρ為流體密度，W為壓力面和負壓面上速度平均值，(r·Vθ/m)為轉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，渦輪轉子葉片上的負荷分布與圓周速度變化率有關；可用圓周速度變化率的值控制負荷分布。確切說，如在轉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荷(Pp-Ps)或(hp-hs)。