CN102182519B

CN102182519B - 汽轮机静叶自射流二次流控制结构

Info

Publication number: CN102182519B
Application number: CN 201110068860
Authority: CN
Inventors: 谢永慧; 蓝吉兵; 张荻
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2011-03-24
Filing date: 2011-03-24
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2031-03-24
Also published as: CN102182519A

Abstract

本发明公开了一种汽轮机静叶自射流二次流控制结构，在所述汽轮机静叶上下端部附近设置有空腔，在静叶压力面设置流道通向空腔的吸气孔，在吸力面设置一系列空腔通向叶片流道的射流孔。本发明的汽轮机静叶自射流流动控制结构，能有效的削弱静叶通道中的二次流，减少低能流体在静叶上下端部吸力面附近的堆积，从而降低损失，提高汽轮机的效率，到达节能降耗的目的。本发明适用于各种型号汽轮机的调节级、高压级、中压级及低压级静叶。

Description

汽轮机静叶自射流二次流控制结构

技术领域

本发明属于叶轮机械领域，涉及一种抑制或减弱二次流动以提高气动效率的汽轮机静叶自射流二次流控制结构。

背景技术

汽轮机是能源、化工以及国防领域重要的原动力机械，其静叶的气动效率直接影响整个汽轮机的效率以及燃料的消耗。汽轮机流道中的损失主要包括：叶型损失、泄漏损失和二次流损失等。

叶型损失包括由叶型周围边界层中的阻力引起的气流能量损失和在叶片尾缘附近形成的尾迹损失。在超音速气流中，叶型损失还包括由于激波而引发的激波损失。为提高透平效率，降低叶型损失，国内外诸多学者对叶片型线的设计方法和优化方法进行了研究，提出基于现代优化理论的叶片型线优化系统。由于汽轮机的静止部件和转子之间存在间隙，这种间隙而造成的泄漏损失通常占汽轮机效率总损失的1/4，国内外学者及相关行业企业采用了诸如迷宫密封，蜂窝密封和刷式密封等方法来有效地降低了泄漏损失。

在汽轮机通道中，二次流损失是整个通道流动损失的重要组成部分。在近叶片顶部和根部区域的端壁边界层内流体流动速度较低，气流从吸力面到压力面的离心力作用不足以抵消压力面与吸力面间的横向压力梯度，于是在这两处的边界层中就形成了气流由压力面到吸力面的二次流动。这种二次流动将叶型吸力面的气流由两端向叶片中部排挤，形成上下两个旋涡区，将引起可观的能量损失。其次，由于叶片进口区端壁边界层以及叶片前缘厚度的影响，来流在叶片的前缘形成马蹄涡并分为压力面和吸力面两个分支，形成叶栅通道内不同于主流的二次流动。另外，由于叶栅的环形效应，导致气流在叶栅顶部的气流压力高于根部，形成沿径向的压力梯度，该压力梯度部分被气流的离心力所抵消，将引发沿叶片高度方向的二次流动。上述三部分二次流造成的二次流损失，在某些情况下可以达到整个叶栅损失的30％-50％。决定二次流损失的因素有很多，如叶片型线、反动度、攻角、展弦比等。在一定的叶片型线、攻角以及反动度的情况下，展弦比的大小在很大程度上决定了二次流损失在总损失中的份额。特别的，对低展弦比叶片而言，如何抑制通道内的二次流动、降低二次流损失就显得十分重要。国内外学者对叶栅内部流动作了大量的实验和理论研究，提出了：(1)子午收缩理论，在近壁面的区域利用气流加速的作用来抑制边界层的发展从而改善端壁的流动状况；(2)可控涡方法，利用流线的反曲率来减小径向正压梯度从而改变透平级反动度的径向分布来控制叶栅端壁附近的流动性能，降低二次流损失；(3)叶片倾斜的方法来抑制二次流；(4)弯扭联合气动成型方法，在二次流的控制上也取得了显著效果；(5)针对小展弦比叶栅，由于叶片相对较短没有充分的弯扭造型余地，提出了后加载叶型，使通道中二次流损失降低。以上5种方法均在一定程度上减小了二次流损失并具有一定的适用范围。鉴于二次流损失对汽轮机效率的重大影响，需要有效的抑制或减弱二次流动，从而提高汽轮机效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种汽轮机静叶自射流二次流控制结构，该结构能够有效抑制二次流动，减少低能流体在叶片上下端部吸力面附近堆积，从而降低二次流动损失，提高汽轮机静叶效率，增加其输出功率，实现节能降耗。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：在静叶的上、下端开设有空腔，在静叶压力面开设有连通流道和空腔的吸气孔，在静叶的吸力面开设有若干个连通空腔和流道的射流孔。

所述的空腔沿静叶高度方向布置，空腔高度同静叶高度满足关系式：0＜H_t≤0.35L；0＜H_b≤0.35L，其中H_t是顶部空腔高度，H_b是根部空腔高度，L为汽轮机静叶高度。

所述的吸力面射流孔和压力面吸气孔尺寸满足关系：0.5mm≤Dj，Ds≤8mm；h_b＝0.5H_b，h_t＝0.5H_t；3Dj≤p_b≤50Dj，3Dj≤p_t≤50Dj，其中Dj为吸力面射流孔直径，Ds为压力面吸气孔直径，h_b为吸气孔、射流孔和叶片根部的距离，h_t为吸气孔、射流孔和叶片顶部的距离，p_b为叶片根部吸力面射流孔流向间距，p_t为叶片顶部吸力面射流孔流向间距。

所述的压力面吸气孔位于Cx≤70％范围内，Cx为轴向弦长百分比；所述吸力面流向第一个射流孔位于Cx≥40％范围内；且压力面吸气孔处的壁面静压大于吸力面射流孔处的静压。

所述的吸力面射流孔方向为：10°≤α≤60°；0°≤β₁≤90°，其中α为吸力面射流孔倾斜角，β₁为吸力面射流孔复合角。

所述的压力面吸气孔方向为：10°≤θ≤60°；β₂＝0，其中θ为压力面吸气孔倾斜角，β₂为压力面吸气孔复合角。

本发明的汽轮机静叶自射流结构，能及时有效地抑制或减弱二次流动，减少堆积在静叶上下端部附近的低能流体，提高汽轮机静叶效率，达到节能降耗的目的。本发明适用于各种型号汽轮机的调节级、高压级、中压级及低压级的静叶片。

附图说明

图1是汽轮机静叶自射流结构三维图；

图2是汽轮机静叶自射流结构剖面图；

图3是吸力面射流孔方向图；

图4是压力面吸气孔方向图；

图5是典型汽轮机静叶通道内的速度分布；

图6是典型的汽轮机静叶压力分布及压力面吸气孔、吸力面射流孔位置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1-4，本发明在汽轮机静叶1的上下端5、6开设有空腔2，在静叶1压力面8设置有连通流道7和空腔2的吸气孔4，在在静叶1的吸力面9开设有若干个连通空腔2和流道7的射流孔3。可以有效的抑制静叶上下通道附近的二次流动，减少低能流体在静叶端壁附件吸力面处的堆积，降低二次流动损失，达到节能降耗。

该汽轮机静叶自射流结构的特征参数有：Cx，Ds，Dj，h_b，h_t，H_b，H_t，L，p_b，p_t，t，α，β₁，β₂，θ，如图1、2、3和4所示。

相关参量及符号定义：

Cx 轴向弦长百分比；

Dj 吸力面射流孔直径；

Ds 压力面吸气孔直径；

h_b 吸气孔、射流孔和叶片根部的距离；

h_t 吸气孔、射流孔和叶片顶部的距离；

H_b 根部空腔高度；

H_t 顶部空腔高度；

L 汽轮机静叶高度；

p_b 叶片根部附近吸力面射流孔流向间距；

p_t 叶片顶部附近吸力面射流孔流向间距；

t 叶片上下空腔处叶片厚度；

α 吸力面射流孔倾斜角；

β₁ 吸力面射流孔复合角；

β₂ 压力面吸气孔复合角；

θ 压力面吸气孔倾斜角；

其中空腔2处叶片壁面厚度t由叶片的强度设计决定。

参见图1，空腔2沿静叶1高度方向布置，空腔2高度同静叶1高度满足关系式：0≤H_t≤0.35L；0≤H_b≤0.35L。

参见图1，2，吸力面射流孔3和压力面吸气孔4尺寸满足关系：0.5mm≤Dj，Ds≤8mm；h_b＝0.5H_b，h_t＝0.5H_t；3Dj≤p_b≤50Dj，3Dj≤p_t≤50Dj。

参见图2，压力面吸气孔4位于Cx≤70％范围内，吸力面流向第一个射流孔3位于Cx≥40％范围内；且压力面吸气孔4处的壁面静压大于吸力面射流孔3处的静压。

参见图3，吸力面射流孔3方向为：10°≤α≤60°；0°≤β₁≤90°。

参见图4，压力面吸气孔4方向为：10°≤θ≤60°；β₂＝0。

根据汽轮机通道内流体的流动规律，气流绕过叶片前缘后，在吸力面前段和压力面会不断加速，同时气流静压降低，并在吸力面某处达到最大速度，然后气流经过一个扩压减速过程。图5为汽轮机静叶中典型的速度加速过程图。图6为与图5对应的汽轮机静叶表面的静压分布图。在图6的A处布置压力面的吸气孔，而在B处布置吸力面流向第一个射流孔，并在此后布置一些列的吸力面射流孔。由于压力面吸气孔和吸力面射流孔存在压差，从而形成了本发明所述的自射流系统。不同的静叶型线，压力面吸气孔的位置及吸力面第一个射流孔的位置不同。

目前汽轮机静叶的加工大多采用数控加工中心加工成型或整体精密铸造成型，叶片结构必须简单且工艺好。本发明在汽轮机静叶上下端壁附近设置空腔，并在压力面设置联通通道和空腔的吸气孔，在吸力面设置联通空腔和通道的射流孔，结构较为简单，该空腔可直接在精密铸造时铸出，也可利用现有的加工技术如电火花成型、磨削加工等加工工艺去除部分叶片材料来获得。压力面吸气孔和吸力面射流孔可采用机械钻孔方式获得。

Claims

1.一种汽轮机静叶自射流二次流控制结构，其特征在于：在静叶（1）的上、下端（5、6）开设有空腔（2），在静叶（1）压力面（8）开设有连通流道（7）和空腔（2）的吸气孔（4），在静叶（1）的吸力面（9）开设有若干个连通空腔（2）和流道（7）的射流孔（3）；所述的空腔（2）沿静叶（1）高度方向布置，空腔（2）高度同静叶（1）高度满足关系式：0<H_t≤0.35L；0<H_b≤0.35L，其中Ht是顶部空腔高度，H_b是根部空腔高度，L为汽轮机静叶高度。

2.如权利要求1所述的汽轮机静叶自射流二次流控制结构，其特征在于：所述的吸力面射流孔（3）和压力面吸气孔（4）尺寸满足关系：0.5mm≤Dj，Ds≤8mm；h_b=0.5H_b，h_t=0.5H_t；3Dj≤p_b≤50Dj，3Dj≤p_t≤50Dj，其中Dj为吸力面射流孔直径，Ds为压力面吸气孔直径，h_b为吸气孔、射流孔和叶片根部的距离，h_t为吸气孔、射流孔和叶片顶部的距离，p_b为叶片根部吸力面射流孔流向间距，p_t为叶片顶部吸力面射流孔流向间距。

3.如权利要求1所述的汽轮机静叶自射流二次流控制结构，其特征在于：所述的压力面吸气孔（4）位于Cx≤70%范围内,Cx为轴向弦长百分比；所述吸力面流向第一个射流孔（3）位于Cx≥40%范围内；且压力面吸气孔（4）处的壁面静压大于吸力面射流孔（3）处的静压。

4.如权利要求1所述的汽轮机静叶自射流二次流控制结构，其特征在于：所述的吸力面射流孔（3）方向为：10°≤α≤60°；0°≤β₁≤90°，其中α为吸力面射流孔倾斜角，β₁为吸力面射流孔复合角。

5.如权利要求1所述的汽轮机静叶自射流二次流控制结构，其特征在于：所述的压力面吸气孔（4）方向为：10°≤θ≤60°；β₂=0，其中θ为压力面吸气孔倾斜角，β₂为压力面吸气孔复合角。