CN103939150B - 一种降低透平级气流激振力的静叶结构 - Google Patents

一种降低透平级气流激振力的静叶结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种有效降低透平级气流激振力的静叶结构，该静叶为径向弯曲叶片，其中，径向弯曲叶片为透平叶栅中的静叶栅；径向弯曲叶片为正弯叶片或者反弯叶片，当径向弯曲叶片为正弯叶片时，其压力面与两端面夹角为锐角；当径向弯曲叶片为反弯叶片时，其压力面与两端面夹角为钝角。本发明保持静叶型线不变，通过透平静叶沿径向弯曲，在不改变静叶节距及出口气流角的条件下，改变静叶出口速度分布，调整高频激振频率，可有效降低透平级的气流激振力，同时对透平级效率影响较小。透平机械内部流动是极其复杂的，由于静叶尾迹导致的非定常高频激振力是导致叶片疲劳失效的重要原因，减少该激振力，有利于保证透平机械的安全可靠性。

Description

一种降低透平级气流激振力的静叶结构
【技术领域】
本发明涉及透平机械叶片，具体涉及一种降低透平级气流激振力的静叶结构。
【背景技术】
振动疲劳断裂是透平机械叶片失效的常见形式。气流激振力是导致振动疲劳的重要原因。静叶尾迹引起的气流激振力对机组稳定性与安全性造成极大隐患。由于流场的复杂性，传统的分析方法很难揭示问题的本质，20世纪后期，随着计算机技术和计算流体动力学的发展，对静叶尾迹流导致的气流激振力才有了深入的研究。
由于喷嘴出口存在一定的厚度，在出口处气流尾迹速度相对较低，而在喷管流道中部的气流速度较大。速度分布不均匀对应着压力分布的周向不均匀，从而导致作用在动叶上气流力的周向变化。
【发明内容】
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种降低透平级气流激振力的静叶结构，其能够减小由静叶尾迹引起的气流激振力对机组稳定性与安全性造成的隐患，保证机组可靠长久的安全运行。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种降低透平级气流激振力的静叶结构，该静叶为径向弯曲叶片，其中，径向弯曲叶片为透平叶栅中的静叶栅。
本发明进一步改进在于，径向弯曲叶片为正弯叶片或者反弯叶片，当径向弯曲叶片为正弯叶片时，其压力面与两端面夹角为锐角；当径向弯曲叶片为反弯叶片时，其压力面与两端面夹角为钝角。
本发明进一步改进在于，正弯叶片的弯曲角度范围为5°≤δ≤25°；反弯叶片的弯曲角度范围为5°≤θ≤25°。
本发明进一步改进在于，该静叶型线不变，静叶沿径向弯曲，成抛物线形状，弯曲方程形式为y＝ax2，其中，抛物线顶点在曲线中点，其中，x为横坐标，y为纵坐标，a为常系数。
本发明进一步改进在于，该静叶结构适应于小高度小扇度叶栅，即相对高度叶型扇度υ≤1.2，其中，l为叶栅高度，b为叶型弦长，r2、r1分别为叶栅的外半径和内半径。
相对于现有技术，本发明一种降低透平级气流激振力的静叶结构，其保持静叶型线不变，通过透平静叶沿径向弯曲，在不改变静叶节距及叶型的条件下，改变静叶出口速度分布，可有效降低透平的激振力因子同时不影响透平效率。
【附图说明】
图1为降低透平级气流激振力的弯曲静叶三维图。
图2为降低透平级气流激振力的弯曲静叶主视图。
图3为降低透平级气流激振力的弯曲静叶左视图。
图4为降低透平级气流激振力的弯曲静叶俯视图。
图5为降低透平级气流激振力的正弯静叶。
图6为降低透平级气流激振力的反弯静叶。
图7为示例正直叶片轴向力频谱图。
图8为示例正直叶片切向力频谱图。
图9为示例正弯叶片轴向力频谱图。
图10为示例正弯叶片切向力频谱图。
图11为示例反弯叶片轴向力频谱图。
图12为示例反弯叶片切向力频谱图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明作进一步说明。
参照图1至6，本发明一种降低透平级气流激振力的静叶结构，该静叶为径向弯曲叶片，其中，径向弯曲叶片为透平叶栅中的静叶栅。
进一步地，径向弯曲叶片为正弯叶片或者反弯叶片，当径向弯曲叶片为正弯叶片时，其压力面与两端面夹角为锐角，弯曲角度范围为5°≤δ≤25°；当径向弯曲叶片为反弯叶片时，其压力面与两端面夹角为钝角，弯曲角度范围为5°≤θ≤25°。
本发明静叶型线不变，静叶沿径向弯曲，成抛物线形状，弯曲方程形式为y＝ax2，其中，抛物线顶点在曲线中点，其中，x，y，a分别表示横坐标、纵坐标及常系数。本发明静叶结构适应于小高度小扇度叶栅，即相对高度叶型扇度υ≤1.2。其中l为叶栅高度，b为叶型弦长，r2、r1分别为叶栅的外半径和内半径。
为了对本发明进一步了解，现对其具体原理做一说明：
1)由于透平级喷嘴出口存在一定的厚度，在出口处气流尾迹速度相对较低，而在喷嘴流道中部的气流速度较大。
2)速度分布不均匀对应着压力分布的周向不均匀，从而导致气流力的周向变化，引起高频激振力。
3)通过弯曲叶片，改变静叶出口速度分布，使静叶出口高能流体均匀分散，使得动叶受到的气流力变化更为均匀，从而减小激振力和激振力因子。
采用CFD软件全三维对某一透平级进行非定常数值分析表明，本发明可以显著降低气流激振力因子，示例如下表。
表1示例不同静叶结构激振力及效率对比，采用正弯及反弯叶片的透平级，轴向力一阶高频气流激振力因子均下降30％以上，切向力一阶高频气流激振力因子均下降20％以上，而透平级效率基本不变。
表1：
参见图1，本发明保持静叶型线不变，透平静叶沿径向弯曲，静叶节距及出口气流角并不改变。
本发明中，通过静叶沿着径向弯曲，使静叶尾迹对叶片主要激振力进行分散，通过改变静叶出口速度分布，有效降低透平的气流激振力及激振力因子。
参见图2，弯曲方程形式为y＝ax2，抛物线顶点在曲线中点。
参见图5，正弯叶片的弯曲角度δ范围，5°≤δ≤25°。
参见图6，反弯叶片的弯曲角度θ范围，5°≤θ≤25°。
参见图7至12分别为不同静叶结构FFT频谱分析对比，正弯静叶与反弯静叶，均实现了分散高能气流的作用，降低静叶尾迹导致的气流激振力。

Claims (2)

1.一种降低透平级气流激振力的静叶结构，其特征在于，该静叶为径向弯曲叶片，其中，径向弯曲叶片为透平叶栅中的静叶栅；
径向弯曲叶片为正弯叶片或者反弯叶片，当径向弯曲叶片为正弯叶片时，其压力面与两端面夹角为锐角；当径向弯曲叶片为反弯叶片时，其压力面与两端面夹角为钝角；
正弯叶片的弯曲角度范围为5°≤δ≤25°；反弯叶片的弯曲角度范围为5°≤θ≤25°；
该静叶结构适应于小高度小扇度叶栅，即相对高度叶型扇度υ≤1.2，其中， l为叶栅高度，b为叶型弦长，r2、r1分别为叶栅的外半径和内半径。
2.根据权利要求1所述的降低透平级气流激振力的静叶结构，其特征在于，该静叶型线不变，静叶沿径向弯曲，成抛物线形状，弯曲方程形式为y＝ax2，其中，抛物线顶点在曲线中点，其中，x为横坐标，y为纵坐标，a为常系数。
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