[发明专利]涡轮级

说明书

技术领域

本发明总体涉及轴流式燃气轮机和轴流式蒸汽轮机，其中，具有一排或多排不旋转叶片(vane)和旋转导叶(blade)的大致径向延伸的翼型。更具体地，本发明涉及连接到翼型径向端的端壁的构造，其具有改进的空气动力学性能。

在本说明书中，术语“节距方向”用于表示在两个毗邻翼型或者叶片或者导叶之间的周向方向。此外，术语“端壁”被宽泛地定义为翼型的径向端处的、并且翼型从其径向延伸的任何表面。端壁因此包括但是不限于翼型平台(platform)和罩(shroud)。

背景技术

通过涡轮机的理想流动称为“一次流动”，其中，一次流动和实际流动之间的差别称为“二次流动”。二次流动在很大程度上表示对轴流式涡轮机效率具有大的影响的损失。

在涡轮叶栅中二次流动的形成开始于与翼型前缘相互作用的端壁边界层。当流动冲击翼型的前缘时，滞止压力的径向变化引起沿着翼型的滞止线朝向端壁的流动。当所述流动到达端壁时，它在本地沿着端壁向上游流动。在来临的边界层与该流动相遇的地方，产生分离，并在翼型的前缘周围形成所谓的马蹄涡。该涡的强度依赖于前缘的厚度和径向静压梯度沿前缘的变化，其尤其与端壁边界层厚度和质量有关。

当压力侧涡腿进入流动通道且朝着吸力侧行进时，其受到翼型到翼型压力梯度的影响。产生的沿着端壁的横过通道的流动将涡流运动强加在叶栅中。这些涡流通常被称为通道涡，包括在其核心内的马蹄涡。这些涡可出现在具有弯曲形状和边界层的任何流动槽内。叶栅中的该二次流动的强度依赖于多个其它因素，该其它因素包括偏转量和来临的边界层的形状。

端壁涡的形成对涡轮机效率产生负面影响，最高占到典型的高压涡轮机总损耗的35％。该额外损失产生的关键原因是叶栅下游发展的通道涡。因为该涡在下游几乎都混合了，所以该涡中存储的动能损失了而不能进一步使用。作为远离吸力表面接近通道涡的中心存在的的高损失核心，通道涡可被容易地检测到。

除了损失产生外，二次流动扰动叶栅下游的出口流动分布。因为低动量边界层流体远比靠近端壁的主流动偏斜得更厉害，所以经历相同的导叶到导叶的压力梯度但是更小的冲量，因此引起接近端壁的出口流动的过偏转。更加远离端壁处，通道涡的旋转开始起作用并且因此发生较少的偏转，由于通道涡在相反方向驱动流体，这导致所谓的欠偏转。

该叶栅之后的不均匀流场是后面叶栅中额外损失的原因。这部分是由于靠近端壁的过偏转的流动引起了下一导叶排中的更多二次流动。

随着通道涡从端壁升起且尺寸变大，流动槽受到二次流动越来越多的影响。公知的是，如果通道涡更加靠近端壁是有益的，因为这增加了未被扰动的一次流动的区域。推断出这一点的一种方法是通过测量峰值径向螺旋性(度)。

翼型设计已经发展为通过优化翼型的三维形状减少二次流动，最近通过端壁轮廓修整(contouring)来减少二次流动。被称为切向端壁轮廓修整(TEWC)的该技术，涉及调整端壁表面以减少二次流动，从而形成修正的翼型面压力外形(轮廓)。

美国专利申请US 2007/0059177A 1描述了这种端壁非轴对称轮廓。该方案包括在很多轴向位置处形成周向延伸的正弦曲线，其中，连续正弦曲线上相应的点通过样条曲线连接，使得端壁的曲率是平滑的。

另外一种可选择的方案是提供具有栅栏的端壁，该栅栏使涡升高离开端壁且进入主流动，这具有使涡冲走的效果。栅栏，其一个例子在ASME Turbo Expo 2000“Secondary flow measurements in aturinepassage with end wall flow modification(具有端壁流动修正的涡轮通道中的二次流动测量)”2000-GT-0212中进行了描述，其具有前缘，该前缘位于连接压力侧翼型和吸力侧翼型的前缘的线的中心。尽管这种壁可减少空气动力学的损失，但是实际问题会由于需要对栅栏进行冷却而产生。

减少二次流动效应的替代方法是使用非轴对称造型以减少横向流动来代替调整压力外形。例如，EP 1995410 A1，提供了一种方案，在该方案中，涡轮级叶栅的端壁包括第一突起，该第一突起具有脊，该脊从涡轮导叶的后缘朝下游侧向下延伸、开始平缓且最后陡峭、并且沿着毗邻的涡轮导叶的吸力侧。但是，这种布置受到限制，因为需要下游轴向空间，并且因此这样的方案并不总是适用的。

发明内容

本发明针对涡轮机中由二次流动引起的过偏转和欠偏转能力和/或减小的螺旋性损失的问题，该二次流动由横向流动引起，该横向流动从翼型的压力面到毗邻翼型的吸力面在节距方向上横过端壁表面流动。