CN103541774B - 涡轮叶片设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种涡轮叶片设计方法，使设计出来的叶片符合叶片的气动参数如进汽角、出汽角、安装角、喉节比、重叠度、最佳相对栅距范围等的要求。该涡轮叶片设计方法的叶型采用参数化造型方法，根据气动参数自动生成的叶型，通过四种调整方式，使叶型的特征参数在设计范围内可任意组合，达到各截面叶型的几何参数与气动参数完全匹配，避免冲角损失，提高叶片级效率。

Description

涡轮叶片设计方法

技术领域

本发明涉及一种涡轮叶片设计方法。

背景技术

汽轮机是将蒸汽的能量转换成为机械功的旋转式动力机械，又称蒸汽透平，主要用作发电用的原动机，也可直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等，还可以利用汽轮机的排汽或中间抽汽满足生产和生活上的供热需要。

在汽轮机中，为了保证蒸汽热能高效地转换成机械能，必须对叶片级进行精细设计。叶片级由静叶叶栅和动叶叶栅顺序地配置组成。蒸汽在静叶汽道中膨胀加速后进入旋转的动叶，在动叶汽道中转向并继续膨胀，完成作功。级中蒸汽的流速必须与动叶的圆周速度保持一定的比例，即合适的速比，同时，叶片的几何形状必须符合汽流的流动方向和膨胀规律，才能保证叶片级具有高效率。

在汽轮机叶片设计中，通常的方法是预先建立标准叶型库，应用时在已有的标准叶型库中选用型线。叶型库中的标准型线不是连续的，而是按宽度和进汽角进行分档，每一档有一个叶型。分档固定叶型有两个不足之处：一是叶型不能与汽动要求完全一致，不能避免冲角损失，因为实际叶片中每一级、每个截面的气动参数都是不同的；二是不利于整体级数分配优化，因为叶片宽度不能连续变化。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种涡轮叶片设计方法，用于解决现有技术中叶片设计的叶型不能与汽动要求完全一致、不利于整体级数分配优化的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种涡轮叶片设计方法，包括以下步骤：

1)测量汽轮机中的蒸汽的流速和动叶的圆周速度，得到蒸汽的流速与动叶的圆周速度的速度比；

2)根据蒸汽的流速与动叶的圆周速度的速度比、蒸汽的流动方向和膨胀规律，得到符合要求的叶片的气动参数，叶片的气动参数包括进汽角、出汽角、安装角、喉节比、重叠度、最佳相对栅距范围；

3)沿叶片高度方向，将叶片分为N个横截面，横截面的叶型轮廓由背弧、内弧和出汽边小圆组成，其中背弧、内弧符合Bezier曲线，出汽边小圆与背弧、内弧相切；

4)将根部横截面记为S01截面，中径横截面记为S02截面，顶部横截面记为S03截面，其余横截面为插值截面；

5)分别调整S01截面、S02截面、S03截面的背弧、内弧的Bezier曲线控制点P，得到S01截面、S02截面、S03截面的型值点和中弧线，使S01截面、S02截面、S03截面的进汽角、出汽角符合叶片的气动参数要求；

6)分别调整S01截面、S02截面、S03截面，使S01截面、S02截面、S03截面同时满足安装角、喉节比、重叠度、最佳相对栅距范围的要求；

7)S01截面、S02截面、S03截面调整完毕后，将该三个截面的重心在转子的径向辐射线上重合，得到该三个截面的全部型值点坐标(x，y，z)；

8)将S01截面、S02截面、S03截面的每一个相对应的型值点，分别投影在XZ平面和YZ平面上，用二次曲线公式、插值求得N个横截面的叶型坐标；

9)由S01截面、S02截面、S03截面和插值截面形成完整叶型。

优选的，步骤3)中横截面的数量N为9至19。

优选的，步骤5)中S01截面、S02截面、S03截面的背弧、内弧的Bezier曲线控制点P的数量为5～10个。

优选的，步骤6)中S01截面、S02截面、S03截面的调整方式包括以下四种：旋转叶型，改变安装角；修改叶型，调整进汽角；改变栅距；缩放叶型。

如上所述，本发明涡轮叶片设计方法，具有以下有益效果：

该涡轮叶片设计方法，叶型采用参数化造型方法，根据气动参数自动生成的叶型，通过四种调整方式，使叶型的特征参数在设计范围内可任意组合，达到各截面叶型的几何参数(进汽角、出汽角、沿叶高的变化规律等)与气动参数完全匹配，避免冲角损失，提高叶片级效率。

附图说明

图1至图3显示为本发明涡轮叶片设计方法步骤3)和步骤4)的示意图。

图4显示为本发明涡轮叶片设计方法步骤5)的示意图。

图5显示为本发明涡轮叶片设计方法的安装角、喉节比、重叠度、最佳相对栅距范围的示意图。

图6a至图6c显示为本发明涡轮叶片设计方法步骤6)的示意图。

图7显示为本发明涡轮叶片设计方法步骤7)的示意图。

图8显示为本发明涡轮叶片设计方法步骤8)的示意图。

图9显示为本发明涡轮叶片设计方法步骤9)的示意图。

元件标号说明

1  背弧

2  内弧

3  出汽边小圆

4  中弧线

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图9。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明涡轮叶片设计方法，包括以下步骤：

1)测量汽轮机中的蒸汽的流速和动叶的圆周速度，得到蒸汽的流速与动叶的圆周速度的速度比。

2)根据蒸汽的流速与动叶的圆周速度的速度比、蒸汽的流动方向和膨胀规律，得到符合要求的叶片的气动参数，所述叶片的气动参数包括进汽角α、出汽角β、安装角A、喉节比O/T、重叠度S、最佳相对栅距范围T/L。

其中，进汽角α、出汽角β如图4所示，安装角A、喉节比O/T、重叠度S、最佳相对栅距范围T/L如图5所示，安装角A为叶片下方切线与两个叶片的左端部连线的夹角，喉节比O/T中的喉宽O为上方叶片的出汽边小圆的圆心至下方叶片的最短距离，喉节比O/T中的节距T为上方叶片的出汽边小圆的圆心至下方叶片的出汽边小圆的圆心的距离，最佳相对栅距范围T/L的节距T为上方叶片的出汽边小圆的圆心至下方叶片的出汽边小圆的圆心的距离，最佳相对栅距范围T/L的弦长L为叶片下方切线的两个切点之间的距离。

3)沿叶片高度方向，将叶片分为N个横截面，其中横截面的数量N为9至19，如图1所示。如图2所示，横截面的叶型轮廓由背弧1、内弧2和出汽边小圆3组成，其中背弧1、内弧2符合Bezier曲线，出汽边小圆3与背弧1、内弧2相切。

Bezier曲线的定义为

$C\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_k{B}_{k,n}\left(t\right),t\∈\left[\mathrm{0,1}\right]$

其中， $B_{k,n}\left(t\right)=C_n^k{t}^k{(1-t)}^{n-k}=\frac{n!}{K!(n-k)!}{t}^k{(1-t)}^{n-k},t\∈\left[\mathrm{0,1}\right]$

k＝0,1,…,n

如图3所示，由Bezier曲线的定义可知，可通过调整控制点P，得到背弧1、内弧2的型值点C。

4)如图1所示，将根部横截面记为S01截面，中径横截面记为S02截面，顶部横截面记为S03截面，S01截面、S02截面、S03截面为叶片的特征截面，其余横截面为插值截面。

5)如图4所示，分别调整S01截面、S02截面、S03截面的背弧、内弧的Bezier曲线控制点P，得到S01截面、S02截面、S03截面的型值点C和中弧线4，使S01截面、S02截面、S03截面的进汽角α、出汽角β符合叶片的气动参数要求，其中，控制点P的数量可取5～10个。

6)分别调整S01截面、S02截面、S03截面，使S01截面、S02截面、S03截面同时满足安装角A、喉节比O/T、重叠度S、最佳相对栅距范围T/L的要求；其中，调整方式主要包括四种：旋转叶型，改变安装角，如图6a所示；修改叶型，调整进汽角；改变栅距，如图6b所示；缩放叶型，如图6c所示。

7)S01截面、S02截面、S03截面调整完毕后，将该三个截面的重心在转子的径向辐射线上重合，得到该三个截面的全部型值点坐标(x，y，z)，如图7所示。

8)将S01截面、S02截面、S03截面的每一个相对应的型值点，分别投影在XZ平面和YZ平面上，用二次曲线公式、插值求得N个横截面的叶型坐标，如图8所示。

9)由S01截面、S02截面、S03截面和插值截面形成完整叶型，如图9所示。

通过上述方法，可获到跟汽流良好匹配的叶型进汽角、出汽角，该叶型进汽角可配合实际的汽流进汽角从而获得良好的汽流效率，当汽流进汽角等于叶型进汽角时效率最高，能量损失最小。

现有技术多采取将一个叶型轮廓离散成几十个甚至上百个点的做法，通过人工调整每个点的坐标获得叶型轮廓的方法，非常繁琐不便，本发明只需要调整5至10个控制点P即可完成，操作设计更方便，可以非常方便地获得整个平面叶型的轮廓。

现有技术多采取将叶片沿着高度方向分割成十个至一百个截面分别手工调整的方式进行，非常繁琐不便，控制十个以上的截面在三维造型的过程中达到三维的光滑也非常困难，本发明只需要调整三个截面(S01截面、S02截面、S03截面)即可完成上述工作，简便易行。

控制叶型沿着高度方向的倾斜度可以对叶片通道里的汽流起到较好的控制作用，尤其是通过控制二次流减小汽流损失，本方法可以通过调整三个截面(S01截面、S02截面、S03截面)达到控制二次流的作用；同时，本方法可以保证叶片沿着高度方向足够光滑，光滑的叶片表面同样可以提高汽轮机叶片的能量转换效率。

综上所述，本发明涡轮叶片设计方法，叶型采用参数化造型方法，根据气动参数自动生成的叶型，通过四种调整方式，使叶型的特征参数在设计范围内可任意组合，达到各截面叶型的几何参数(进汽角、出汽角、沿叶高的变化规律等)与气动参数完全匹配，避免冲角损失，提高叶片级效率。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种涡轮叶片设计方法，其特征在于包括以下步骤：

1)测量汽轮机中的蒸汽的流速和动叶的圆周速度，得到蒸汽的流速与动叶的圆周速度的速度比；

2)根据蒸汽的流速与动叶的圆周速度的速度比、蒸汽的流动方向和膨胀规律，得到符合要求的叶片的气动参数，所述叶片的气动参数包括进汽角、出汽角、安装角、喉节比、重叠度、最佳相对栅距范围；

3)沿叶片高度方向，将叶片分为N个横截面，所述横截面的叶型轮廓由背弧、内弧和出汽边小圆组成，其中背弧、内弧符合Bezier曲线，出汽边小圆与背弧、内弧相切；

4)将根部横截面记为S01截面，中径横截面记为S02截面，顶部横截面记为S03截面，其余横截面为插值截面；

5)分别调整S01截面、S02截面、S03截面的背弧、内弧的Bezier曲线控制点P，得到S01截面、S02截面、S03截面的型值点和中弧线，使S01截面、S02截面、S03截面的进汽角、出汽角符合叶片的气动参数要求；

6)分别调整S01截面、S02截面、S03截面，使S01截面、S02截面、S03截面同时满足安装角、喉节比、重叠度、最佳相对栅距范围的要求；

7)S01截面、S02截面、S03截面调整完毕后，将该三个截面的重心在转子的径向辐射线上重合，得到该三个截面的全部型值点坐标(x，y，z)；

8)将S01截面、S02截面、S03截面的每一个相对应的型值点，分别投影在XZ平面和YZ平面上，用二次曲线公式、插值求得N个横截面的叶型坐标；

9)由S01截面、S02截面、S03截面和插值截面形成完整叶型。

2.根据权利要求1所述的涡轮叶片设计方法，其特征在于：所述步骤3)中横截面的数量N为9至19。

3.根据权利要求1所述的涡轮叶片设计方法，其特征在于：所述步骤5)中S01截面、S02截面、S03截面的背弧、内弧的Bezier曲线控制点P的数量为5～10个。

4.根据权利要求1所述的涡轮叶片设计方法，其特征在于，所述步骤6)中S01截面、S02截面、S03截面的调整方式包括以下四种：旋转叶型，改变安装角；修改叶型，调整进汽角；改变栅距；缩放叶型。