具有有着不同后缘轮廓的交替导叶的导叶装置的制造方法
【专利说明】具有有着不同后缘轮廓的交替导叶的导叶装置
[0001]对相关申请的交叉引用
[0002]1.本PCT申请要求2013年3月14日提交的美国专利申请N0.13/804, 179的优先权，该申请的公开内容在此通过引用整体并入。
技术领域
[0003]2.本发明总的涉及涡轮机，更具体地涉及一种用于涡轮机的静止叶片装置，该静止叶片装置适于通过针对流量和声脉冲两者使气流均质化来减少转子叶片和/或转子轮盘激励(excitat1n)以及减轻脱离静止叶片的祸旋的影响。
【背景技术】
[0004]3.涡轮机如离心式压缩机、轴流式压缩机和涡轮机可用于各种行业中。离心式压缩机和涡轮机特别是广泛用于发电厂、喷气发动机应用、燃气轮机和汽车应用。离心式压缩机和涡轮机通常还用于大规模工业应用如用于炼油行业中的空气分离设备和热气体膨胀器中。离心式压缩机还用于诸如炼油厂和化工厂的大规模工业应用中。
[0005]4.参考图1，示出了根据传统设计的多级离心式涡轮机10。在一些应用中，可采用单级。这样的涡轮机10 —般包括由一对轴承40可旋转地支承在壳体30内的轴20。图1所示的涡轮机10包括用于逐渐升高工作流体的流体压力的多个级。各级相继沿涡轮机10的纵向轴线布置并且所有级可具有或不具有以相同原理工作的类似构件。
[0006]5.继续参考图1，叶轮50包括周向布置并安装在叶轮毂70上的多个旋转叶片60，叶轮毂70又安装在轴20上。叶片60可选地安装在盖盘65上。多个叶轮50可沿轴20的轴向长度在多个级中间隔开。旋转叶片60与叶轮毂70固定地联接成使得旋转叶片60连同叶轮毂70 —起随着轴20旋转而旋转。旋转叶片60在安装在静止管状外壳上的多个静止导叶或定子80的下游旋转。诸如气体混合物的工作流体沿轴20的轴向进入和离开涡轮机10。来自工作流体的能量引起旋转叶片60关于定子80的相对运动。在离心式压缩机中，叶轮50内的旋转叶片60之间的截面积从入口端到排出端减小，使得工作流体随着它从叶轮50通过而被压缩。
[0007]6.参照图2，诸如气体混合物的工作流体从涡轮机10的入口端90移动到出口端100。设置在入口端90处的一排定子80将工作流体引导到设置在涡轮机10的出口端100处的一排旋转叶片60中。定子80在外壳内延伸以将工作流体引导到旋转叶片60。定子80在外壳的周边周围以相等的间距在单独的支柱之间周向地间隔开。扩散器110设置在旋转叶片60的出口处，以使离开旋转叶片60的流体流均质化。扩散器110可选地具有在外壳内延伸的多个扩散器导叶120。扩散器叶片120在扩散器壳体的周边周围以相等的间距在各个扩散器叶片120之间周向地间隔开。在多级涡轮机10中，在涡轮机10的出口端100处设置有用于将工作流体引导到下一个连续级的旋转叶片60的多个返回通道导叶125。在这样的实施例中，返回通道导叶125提供来自涡轮机10的第一级的定子80的功能。多级涡轮机中的最后一个叶轮典型地仅具有可设置有或未设置有扩散器导叶的扩散器。最后一个扩散器将工作流体流引导到具有用于与排出管道连接的出口凸缘的排出壳体(蜗壳)。在单级实施例中，涡轮机10包括位于入口端90处的定子80和出口端100处的扩散器110。
[0008]7.参考图3，示出了多个定子80的示意图。每个定子80都具有彼此大致平行地定向的一对相对的纵向表面130a、130b。定子80理想而言关于涡轮机10的纵向轴线成相同角度定向。每个定子80都具有设置在其下游端处的后缘140和设置在其上游端处的前缘150。各定子80的后缘140与相邻定子80的后缘140等同地成形。例如，后缘140可具有在圆形部位终止的尖形轮廓。类似地，各定子80的前缘150可具有与后缘140相对应的形状。各扩散器叶片120 (未示出)的前缘150理想而言与后缘140等同地形成。例如，类似于定子80的后缘140，扩散器叶片120的前缘可具有在圆形部位终止的尖形轮廓。
[0009]8.涡轮机的一个重要设计要点是控制旋转叶片和毂在涡轮机的全部工作范围的振动。涡轮机中的旋转叶片和轮盘通过a)上游的定子支柱和/或导叶尾迹以及与下游支柱和导叶交互的势流，b)通过不均匀的周向压力分布而形成的流动流中的其它不均匀，c)旋转叶片通过频率的声脉冲和/或d)脱离静止导叶的涡旋一一其进而引起外壳内的气体的一致的声共振而被激励共振。例如，可能由于叶片通过频率的声波反射提供旋转模式的导叶而发生Tyler/Sofrin模式。(参考Tyler.J.Μ.和Sofrin，T.G.，1962，《轴流压缩机噪声研究(Axial Flow Compressor Moise Studies)》，SAE Transact1ns，Vol.70，pp.309-332。)声脉冲以不同方式从定子支柱反射，从叶轮进一步返回，并减小了旋转模式的有效振幅。例如，在具有15个旋转叶片和20个定子支柱的叶轮中，存在5-直径旋转模式。如果5-直径结构模式等于转速的20倍，则可以通过将下游定子支柱中的一半设定为声波长度的一半来降低叶片激励，因为波反射将引起相位抵消。
[0010]9.这些激励引起循环应力，从而导致潜在的高周期疲劳和旋转叶片、毂或罩盖处的叶轮失效。当叶片模态频率与轴旋转频率与叶片存在的流量不均匀的谐波数的乘积相对应时，叶轮构件可被激励至大的振幅。典型地，限制振幅足够大而导致高周期疲劳的谐波数。由于疲劳损伤率仅在材料的无限疲劳强度被破坏的情况下发生，所以振幅的适度减少通常会消除作为叶片和轮盘寿命的限制因素的高周期疲劳。
[0011]10.当前解决这些问题的一种做法是通过在遇到共振时快速改变速度来避免在共振频率下操作，由此最大限度地减少叶片在操作期间蓄积的疲劳周期数。如果使振动周期数最小化，则叶片失效受不同于下游尾迹、声脉冲、流动不均匀或涡旋脱落的机制控制。然而，该做法对涡轮机的运转施加了不希望的限制。
[0012]11.目前的另一种方法是通过将空气直接喷射到障碍物后方的低速尾迹中来减少流场中的空间变化(Rao, N.M.，Feng, J.，Burdisso, R.A和Ng, ff.F.，《用于减少风扇叶片振动和噪音的主动流量控制(Active Flow Control to Reduce Fan Blade Vibrat1nand Noise)》，5.sup.th AIAA/CEAS Aeroacoustic Conference, American Institute ofAeronautics and Astronautics，May 10-12，1999)。该方法需要相对大量地使用来自压缩机或另外的外部空气源的空气。压缩空气的使用对性能有不利影响。单独的空气供给的添加增加了重量且需要动力。两种方法都对性能有不利影响。此外，尾迹填充未解决由于来自下游流动障碍物的弓形波而引起的模态激励。
[0013]12.在现有技术内，已提出多种用于减小旋转叶片的振幅和/或提供噪声控制的方法。授予Kuhnel等人的美国专利申请公报N0.2007/0274826公开了一种用于压缩机叶轮的扩散器。Kuhnel等人的公报的图1公开了包括引导叶片的扩散器结构，每个所述引导叶片都由两个叶片构件形成。第一叶片构件具有入口边缘，且第二叶片构件具有从另一入口边缘后退的入口边缘。图2示出了另一实施例，其中在叶片构件之间设置有第三叶片构件。阶梯式的入口边缘设置用于噪声控制。
[0014]13.授予Barton等人的美国专利N0.7，189，059公开了一种具有位于叶轮周围的入口覆环(shroud)的压缩机。如图2所示的覆环包括多个间隔开的导叶或具有支柱末端的支柱。如图6所示，支柱构造成在第一端和支柱末端之间改变厚度。这种厚度的变化被实施为支柱第一端和支柱末端之间的直线形渐缩以提高支柱的自然频率。
[0015]14.Crall等人的美国专利N0.6，439，838描述了在轴流式压缩机中利用导叶的可变周向间隔来实现减少的振动激励。
[0016]15.Clark, J.，“Design Strategies to Mitigate UnsteadyForcing(Preprint) ”，AFRL-RZ-WP-TP-2008-2112说明了用于旋转叶片的激励的现有技术，包括在具有水平分流装置的机器的上、下两个半体中使用不同数量的静止导叶。
[0017]16.然而，现有技术设计无一针对于适合除减小声压力脉冲和旋转叶片上的直接压力负荷外、还通过扰乱流动流内的连续尾迹并减轻脱离导叶的涡旋的影响来减少转子叶片