涡轮机的部件以及相关的涡轮机 |
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| 申请号 | CN201480070059.6 | 申请日 | 2014-12-18 | 公开(公告)号 | CN105829653B | 公开(公告)日 | 2017-11-24 |
| 申请人 | 斯奈克玛; | 发明人 | 维亚尼·克里斯托夫·马里·马尼埃雷; 马修·让·卢克·沃勒布雷特; 盖坦·让·马里·罗比; 保罗·亨利·约瑟夫·莫克莱尔; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及 涡轮 机组件(1)或组件集，至少包括第一 叶片 和第二叶片(3I，3E)以及平台(2)，叶片(3I，3E)自平台延伸，其特征在于，平台(2)在第一叶片(3I)的压 力 表面和第二叶片(3E)的吸力表面之间具有非轴对称的表面(S)，表面限定出在叶片(3I，3E)中的每个的前缘(BA)的下游延伸的大致三 角 形截面的多个翼片(4)，每个翼片(4)与表面(S)上的前导 位置 和后部位置相关联，翼片(4)在表面上的前导位置和后部位置之间延伸，使得：前导位置位于相对于叶片(3I，3E)的从叶片(3I，3E)的前缘(BA)延伸至 后缘 (BF)的弦的长度的5％和35％之间；‑翼片(4)距第二叶片(3E)的吸力表面越远，所述翼片(4)的前导位置轴向地距叶片(3I，3E)的前缘(BA)越远。 | ||||||
| 权利要求 | 1.涡轮机的部件(1)，至少包括：第一叶片(3I)和第二叶片(3E)以及平台(2)，第一叶片(3I)和第二叶片(3E)自所述平台(2)延伸， |
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| 说明书全文 | 涡轮机的部件以及相关的涡轮机技术领域背景技术[0003] 这些工具有助于通过执行大量的模拟计算以对它们的某些特征进行自动优化来设计部件。 [0004] 目前，用于对转子或定子的几何空气动力学优化和/或声学优化的寻求能够在导管(vein)处实现具有局部非轴对称的壁的轮毂(即，垂直于旋转轴线的平面中的截面不是圆形的)以表明那里的特定的优势条件，导管即用于使流体在轮叶之间流动的通道(换句话说，轮叶之间的截面)。非轴对称导管限定出三维空间的整体环形表面(轮毂的“薄片”)。 [0005] 然而，可观察到的是，这些几何形状仍可被改善，尤其是涡轮机的压缩机级中的几何形状仍可被改善。实际上，叶片/壁的连接可保持二次流动的位点(并因此在压缩机级中保持可观的损失)，这是由于在壁的邻近处上的相当大的边界层从压缩机的上游发展，并且从叶片的拱背到相邻叶片的拱腹建立有压力梯度。 [0007] 需要提供一种可用的新的几何形状，以使其能够纠正这些问题，以对设备的效率而言能够改善性能，但不会降低可操作性或机械强度。 发明内容[0008] 因此，本发明提出了一种涡轮机的部件或部件集，至少包括第一叶片和第二叶片以及平台，该第一叶片和第二叶片自平台延伸， [0009] 其特征在于，平台在第一叶片的拱腹和第二叶片的拱背之间具有限定出多个翼片的非轴对称的表面，多个翼片具有向叶片中的每个的前缘的下游延伸的大致三角形的截面，每个翼片与表面上的前导位置和后部位置相关联，翼片在表面上的前导位置和后部位置之间延伸，使得： [0010] -前导位置位于叶片的从叶片的前缘延伸至后缘的弦的相对长度的5％和35％之间； [0011] -翼片距第二叶片的拱背越远，所述翼片的前导位置轴向地距叶片的前缘越远。 [0013] 压缩机级的可操作性和效率因此而改善。 [0014] 根据其他有利地并非限制性的特征： [0015] ●每个翼片具有的宽度介于第一叶片的拱腹和第二叶片的拱背之间的距离的5％和20％之间； [0016] ●每个翼片具有的高宽比介于0.3和1.3之间； [0017] ●每个翼片具有的高度介于1mm和25mm之间； [0018] ●每个翼片具有的高度沿翼片从前导位置到后部位置增大； [0019] ●每个翼片具有对应于第一叶片和第二叶片的中弧线的轨迹； [0020] ●与每个翼片相关联的后部位置位于所述叶片弦的相对长度的50％和105％之间； [0021] ●与每个翼片相关联的前导位置和后部位置各自位于距第二叶片的拱背的一定距离处，该一定距离介于第一叶片的拱腹和第二叶片的拱背之间的距离的10％和55％之间； [0022] ●表面限定出并置的两个或三个翼片； [0023] ●平台包括第一平台部分和第二平台部分，第一叶片自第一平台部分延伸，第二叶片自第二平台部分延伸，第一平台部分和第二平台部分之间的连接部形成翼片； [0024] ●表面由第一端平面和第二端平面限定出，表面通过至少一个C1类的构建曲线来限定，至少一个构建曲线各自表示所述表面的半径的值，所述表面的半径的值为第一叶片的拱腹和第二叶片的拱背之间的沿大体平行于定位在每个翼片的前导位置和后部位置之间的端平面的平面的位置的函数； [0026] (a)将表示所述表面的半径的值的作为C1类的曲线的构建曲线参数化，所述表面的半径的值为第一叶片的拱腹和第二叶片的拱背之间的位置的函数，曲线通过以下方式限定： [0028] -位于端部控制点之间的至少一个中间控制点； [0029] -至少一个样条曲线； [0030] 根据限定出端部控制点中的至少一个的一个或多个参数执行参数化； [0031] (b)确定所述曲线的所述参数的最优值。 [0032] ●平台具有环形形状，多个叶片沿环形形状被均匀地布置； [0033] ●平台在每一对连续的叶片之间具有相同的非轴对称的表面； [0034] ●部件为叶轮或压缩机定子级。 [0037] -之前描述的图1示出了涡轮机的示例； [0038] -图2示出了根据本发明的部件的优选实施例； [0039] -图3示意性地示出了根据本发明的部件的翼片的几何形状； [0040] -图4示意性地示出了用于实现根据本发明的单件式翼片的结构； [0041] -图5a至图5c示出了用于三个几何形状的流量和摩擦线的观察结果。 具体实施方式[0042] 参考图2，涡轮机的部件1(如果它不是单件式，那么是部件集)具有至少两个连续的叶片3E、3I以及平台2，叶片3E、3I自平台2延伸。术语平台在这里按照广义被解释并且总体上指示涡轮机的可安装(径向延伸)有叶片3E、3I并具有内壁/外壁的任何元件，空气抵抗内壁/外壁进行流通。 [0043] 具体地，平台2可以是单件式的(并且因此支撑部件1的所有叶片)，或者由多个基本部件形成，该多个基本部件各自支撑单个叶片3E、3I(叶片的一个“根部”)，从而构成图2中所示的那种类型的轮叶。具体地，在即将在下文描述的有利的实施例中，平台2能够包括用于每个叶片3E、3I的平台部分2I、2E。 [0044] 此外，平台2能够通过限定出轮毂来界定出部件1的径向内壁(气体绕径向内壁穿过)，和/或，通过随后限定出部件1的壳体来界定出部件1的径向外壁(气体在径向外壁的内部穿过，叶片3I、3E朝向中心延伸)。应当注意的是，同一部件1可同时包括这两种类型的平台2。应理解的是，如所阐述的，部件1可以是不同类型的，参照图1中已引入的，部件1具体在二次流量引入口(OGV，“出口导流轮叶”)处是转子级(根据或不根据组件的整体特征为整体叶轮(叶片盘)或叶轮)或定子级(具有固定的或可动的轮叶VSV(可变定子轮叶))。 [0045] 在本说明书的其余部分中，OGV级的示例将通过示例而使用，但本领域技术人员将了解如何将其转置到其他类型的部件1(例如，转置到“风机”，换句话说是鼓风机，或转置到低压压缩机级)。 [0046] 平台表面 [0047] 部件1通过部件1的平台2的表面S的特定(非轴对称)几何形状来区分，该部件1的有利的建模示例可在图2中观察到。 [0048] 表面S在两个叶片3E、3I之间延伸(两个叶片中只有一个在图2中可见以允许更好的观察表面S。然而，缺失的叶片的轨迹可在不同的情况下观察到)，两个叶片3E、3I可侧向地限制该表面S。 [0049] 实际上，表面S是较大表面的关于部件1限定出大体上为曲面形状的部分。假设(但非限制的)部件1的圆周中的周期性(即，如果叶片3E、3I是相同且均匀分布的)，壁由在每对叶片3E、3I之间复制的多个相同的表面构成。 [0050] 因此，同样在图2中可见的表面S’为表面S的复制。 [0051] 在该俯图中还可见的是将表面S和S’中的每个分成两个半部的线。该结构对应于以下实施例：其中，平台2由多个基本部件构成，多个基本部件各自为对叶片3E、3I进行支撑的根部，根部与叶片3E、3I形成轮叶。因此，这些叶片根部(在本说明书的其余部分中被称为“平台部分”)中的每个在叶片3E、3I的两侧上延伸，因此，表面S包括与两个不同的叶片根部相关联的并置表面。因此，部件1是至少两个并置的轮叶(叶片/叶片根部组件)的集。与“应用”平台相比，这些被认为是“完整的”平台，换句话说是独立于叶片(然后表面S能够由单个元件构成)的。应当理解的是，本发明不限于平台2的任何特定的结构。 [0052] 表面S在上游通过第一端平面来限制，并且在下游通过第二端平面来限制，第一端平面为“分离平面”PS，第二端平面为“连接平面”PR，“分离平面”PS和“连接平面”PR各自限定出连续的、轴对称的轮廓并且具有连续导数(曲线对应于平面PR和PS中的每个的交集，并且部件1的表面整体地被封闭并形成环)。表面S具有基本为平行四边形的形状，并在两个端平面PS、PR之间以及在一对连续叶片的两个叶片3E、3I之间连续地延伸。这对叶片的叶片中的一个是第一叶片3I，或拱腹叶片。实际上，第一叶片对表面S呈现出其拱腹。另一叶片是第二叶片3E，或拱背叶片。实际上，第二叶片对表面S呈现出其拱腹。每个“第二叶片”3E是邻接表面的“第一叶片”3I，该邻接表面诸如为图2中的表面S’(因为每个叶片3E、3I具有拱腹和拱背)。 [0053] 有利地，表面S由构建曲线PC限定，构建曲线PC也被称为“构建平面”。每个构建曲线PC是表示所述表面S的半径的值的C1类的曲线，所述表面S的半径的值为第一叶片3I的拱腹和第二叶片3E的拱背之间的沿大体平行于端平面PS、PR的平面的位置的函数。 [0054] 半径是指表面上的点与部件1的轴线之间的距离。因此，轴对称表面具有恒定的半径。 [0055] 典型地，构建曲线PC为样条曲线，即参数多项式曲线，其中，优选地，该样条曲线可以是所提及的贝塞尔曲线。 [0056] 翼片 [0057] 值得注意的是，该部件的非轴对称表面S至少限定出多个翼片4，该多个翼片4具有在叶片3I、3E中的每个的前缘(BA)的下游处延伸的基本三角形的截面。优选地，流(stream)上有两个或三个翼片4(图2示出了具有两个翼片4的方案，不同的可能性将在以下进行阐述)。 [0058] 部件的两个叶片之间具有可用的翼片的事实是已知的(例如，参见专利申请EP1927723、JP6022002、US4023350)。但已知的翼片通常为扁平的“条”。实际上，这些已知的翼片(通常为多个)仅具有充当用于入射流并用于产生漩涡的屏障的作用。 [0059] 翼片4意在改善入射流的偏转，并且意在避免流体沿拱背的上涌。以这种方式，翼片4改善了压缩机级的效率和可操作性，并为后续的级准备了更清洁/更均匀的流体。 [0060] 尤其地，增加的漩涡出现在翼片4的前缘处，但存在的横向涡流进一步在下游处减小并且涡流的密度减小高达6％。因此，至少一个翼片4的增加减小了前缘处的间隔。这是翼片在边界层处的流量上的引导效果的直接结果。更少的能量冲击第二叶片3E的拱背，因此，流线仅能够在更大的难度下上升。间隔的高度能够被减小一半(参见以下的不同实施例的对比)。 [0061] 在所有的情况下，翼片4具有基本为三角形的横截面，这意味着它们具有两个倾斜面，该两个倾斜面通过背脊结合，或者成角度地结合或通过相切连接而结合。该两个面自身或者成角度地或者通过相切连接而被附接至流(表面S的其余部分)。每个翼片4能够进一步具有如在图2中可见的斜面端部。 [0062] 优选地，每个翼片4具有对应于第一叶片3I和第二叶片3E的中弧线的轨迹。更经常地，所有的叶片具有相同的弧形，这是所有的翼片4和叶片3I、3E具有相似曲率的原因，但应理解，本发明不限于这种情况。 [0063] 这尤其在图3中出现(叶片3I、3E的弧形和翼片4的轨迹为用于元件中的每个的轮廓中线)，图3示意性地示出了单独的翼片4。 [0065] 尺寸和位置 [0066] 有利地，翼片4具有的宽度介于第一叶片3I的拱腹和第二叶片3E的拱背之间的距离的5％和20％之间(优选地介于10％和15％之间)。这里所考虑的宽度是翼片4的根部的最大宽度(该最大宽度是基本是恒定的，除了前斜面和后斜面以外)。该宽度和第一叶片3I的拱腹和第二叶片3E的拱背之间的距离被最优地理解成沿平行于端平面PS、PR的平面(换句话说，沿之前所述的构建曲线)，这在图2中可见，并在图3中竖直地示出。 [0067] 优选地，每个翼片4具有的高宽比介于0.3和1.3之间，而用于压缩机级的常规的尺寸给出了介于1mm和25mm之间的高度。 [0068] 具体地，每个翼片4由两个端点限定出：表面S上的前导位置和后部位置，翼片4在前导位置和后部位置之间延伸(尤其是随着叶片3I、3E的弧形延伸)。 [0069] 在图3的参考符号中，前导位置由坐标XBA和YBA限定出，后部位置由坐标和XBF和YBF限定出。这些坐标分别为位置的轴向坐标和方位坐标。 [0070] 第一坐标X表示沿叶片3I、3E的弦从叶片3I、3E的前缘BA延伸到后缘BF并以相对长度表示的(轴向)位置(换句话说，X＝0对应于前缘BA上的定位，X＝1对应于与叶片3I、3E的后缘BF的定位)。 [0071] 优选地，这些位置是这样的： [0072] -(轴向)前导位置位于叶片3I、3E的弦的相对长度的5％和35％之间(即，XBA∈[0.05，0.35])，优选地，(轴向)前导位置位于叶片3I、3E的弦的相对长度的15％和25％之间，以及 [0073] -(轴向)后部位置位于叶片3I、3E的弦的相对长度的50％和105％之间(即，XBF∈[0.5，1.05])，优选地，(轴向)后部位置位于叶片3I、3E的弦的相对长度的70％和85％之间。 [0074] 应当注意的是，翼片4不一定介于叶片3I、3E的前缘BA和后缘BF之间，并能够在后缘BF的下游处轴向地延伸。 [0075] 第二坐标Y表示沿通道宽度从第二叶片3E的拱背延伸到第一叶片3I的拱腹并以相对长度表示的(方位)位置(换句话说，Y＝0对应于对第二叶片3E的拱背进行抵靠的点，Y＝1对应于对第一叶片3I的拱腹进行抵靠的点)。 [0076] 优选地，这些位置使得与翼片4相关的前导位置和后部位置中的每个位于距第二叶片3E的拱背一定距离处，该距离介于通道宽度10％和55％之间(即，YBA，YBF∈[0.1，0.55])。因此，翼片4能够被定心在流中，但优选地，翼片4更接近第二叶片3E的拱背。 [0077] 通常，翼片4距第二叶片3E的拱背越远，所述翼片4的(轴线)前导位置距叶片3I、3E的前缘BA就越远。换句话说，叶片从拱背开始为阶状的，并具有增大的XBA。 [0078] 这种几何形状允许入射流偏转效果的逐渐扩大，希望的程度是，所观察到的流体的上涌沿拱背逐渐扩大，并且流体出现从拱腹朝向拱背的迁移(参见图5a，这将在以下进行阐述)。因此，翼片4的步进改善了流的底部附近的流体的均匀性，并进一步减小了分离高度。 [0079] 同样优选地，每个翼片4具有的高度还沿翼片4从前导位置到后部位置增大，即具有增大的轴向位置。翼片4的高度的渐进与翼片4的步进相关，而且还改善了流的底部附近的流体的均匀性并使分离高度减小。具体地，翼片的高度与轴向位置具有线性或二次变分。 [0080] 应当注意的是，翼片4的最大高度能够随着翼片4距第二叶片3E的拱背的距离而减小，以便扩大翼片4的步进和可变高度的联合效果。 [0081] 翼片的数量 [0082] 获得最佳效果的是两个翼片4。希望的是不超过三个翼片4。 [0083] 如使用两个翼片，这些翼片能够被布置在平台2的部分2I、2E的每个的中间(如在图2中可见)，但优选地，翼片4应当处于流的拱背侧上。例如，第一翼片能够与方位位置YBA，YBF∈[0.2，0.25]相关联，第二翼片与方位位置YBA，YBF∈[0.5，0.55]相关联。 [0084] 在翼片4中的一个被定位在流的中间(与翼片4相关联的前导位置和后部位置位于距第二叶片3E的距离为通道宽度的50％处)的情况下，能够使用平台2的结构来重新构建该翼片4。因此，如果平台2包括第一平台部分2I和第二平台部分2E，第一叶片3I自第一平台部分2I延伸，第二叶片3E自第二平台部分2E延伸，那么平台2的两个部分2I、2E之间的连接能够被设置成对应于翼片4的轨迹。 [0085] 然后，适当形状的平台间突出连接能够形成翼片(如在图4中可见，图4未示出其他翼片4)。 [0086] 这种方案具有诸多优点，因为它相对于已知的部件只需要很少的改动并能够通过允许平台2的部分之间的更大的切向间隔来促进组装和拆卸。 [0087] 替代性地或作为补充，至少一个翼片4是表面S所固有的，并且构建曲线PC的使用使得能够对它们进行限定(如果未通过连接获得，那么在单个翼片4的情况下也是准确的)。优选地，至少三个构建曲线被使用，例如在图2中可见，其中有7个构建曲线：一个前导曲线(前导曲线穿过之前定义的前导点)、至少一个中间曲线、以及后部曲线(后部曲线穿过同样在之前定义的后部点)。有利地，中间曲线(其数量可变化)以定距离间隔开。第一中间曲线和第二中间曲线被定位在翼片4中一个的本体和斜面之间的接合处。一个翼片4的后部曲线能够是另一翼片的中间曲线，等。 [0088] 应当注意的是，优选地，后部曲线会与连接平面PS(翼片4延伸越过后缘)混淆。另一方面，还有其他的构件曲线能够被定位在任何翼片4的上游或下游(并因此不用于定义翼片4)。 [0089] 因此，每个构建曲线PC由多个控制点(端点和中间点，每个翼片4需要至少一个中间控制点(并且甚至为两个中间曲线)以用于定位在翼片4的前导位置和后部位置之间的每个构建曲线PC)限定出。定义控制点的参数在以下选择：点的横坐标、点的纵坐标、在该点处正切于曲线的切线的方向以及一个(在端部控制点的情况下，只有在曲线的定义域中的半切线能够被考虑在内，该半切线取决于该点而半切于左边或半切于右边)或两个(在中间控制点的情况下)张力系数，该一个或两个张力系数各自与在该点处正切于曲线的半切线相关联。 [0090] 端部控制点的位置由叶片3I、3E来约束。另一方面，这些点处的曲线的切线的方向(换句话说，导数)使得能够检查表面S的斜率，尤其是翼片4的侧面的斜率(并因此能够检查其宽度和高度)。 [0091] 表面的建模 [0092] 使用构建曲线PC来定义表面有利于部件1的自动优化。 [0093] 因此，每个构建曲线PC能够通过以下适当的实施来进行建模： [0094] (a)将表示所述表面S的半径的值的作为C1类曲线的构建曲线PC参数化，所述表面S的半径的值为第一叶片3I的拱腹和第二叶片3E的拱背之间的位置的函数，该曲线通过以下方式限定： [0095] -两个端部控制点，两个端部控制点分别位于两个叶片3E、3I中的每个上，所述表面S在两个叶片3E、3I之间延伸； [0096] -位于端部控制点之间的至少一个(有利地，两个)中间控制点； [0097] -至少一个样条曲线； [0098] 根据限定出端部控制点中的至少一个的一个或多个参数执行参数化； [0099] (b)确定所述曲线的所述参数的最优值。 [0100] 这些步骤由包括数据处理装置(例如超级计算机)的计算机设备来执行。 [0101] 端部控制点或中间控制点的一些参数(例如，切线的偏斜间隔)是不变的，以满足希望的斜率条件。 [0102] 在每个曲线的建模期间，许多准则能够被选择为待优化的准则。以示例的方式，可尝试使诸如机械负载耐抗性、频率响应、叶片3E、3I的位移的机械性能以及诸如效率、增压、流通能力或泵裕度等的空气动力性能最大化。 [0103] 为此，有必要使待优化的规律参数化，即使其成为N个输入参数的函数。优化则包括在约束下改变(通常随机地)这些不同的参数，直到确定它们针对预定准则的最优值。然后“平滑”的曲线通过来自确定的转接点的插值来获得。 [0104] 然后，必要的计算量与问题的输入参数的数量(线性地或者指数地)直接相关。 [0105] 许多方法是已知的，但优选地将实施与专利申请FR1353439中所描述的方法类似的方法，该方法能够在没有高计算功耗的情况下得到优异的建模质量，同时仍限制龙格(Runge)现象(表面的过多“波动”)。 [0106] 应当注意的是，叶片3E、3I通过连接曲线被连接至平台2，连接曲线尤其地同样通过使用样条和用户控制点来成为特定建模的主体。 [0107] 翼片的效果 [0108] 沿第二叶片2E的拱背可观察到流量和摩擦线：没有翼片的几何形状(图5a)、具有单个翼片的非轴对称几何形状(图5b)以及具有两个翼片的非轴对称几何形状(图5c)。 [0109] 在图5b中并尤其在图5c中可清晰地看到分离高度的减小，其降低将近33％。一个翼片的漩涡的增加达到2.3％，并且两个翼片的漩涡的增加达到3.8％，因此效率增加百分之零点几。 |
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